автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация выбора рациональной структуры регионов управления перевозками на сети железных дорог

РГБ ОД

21 МАЙ 2001

На правах рукописи

СОКОЛОВ Николай Борисович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ РЕГИОНОВ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕВОЗКАМИ НА СЕТИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (транспорт)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2001

г

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта.

Научный руководитель:

- доктор технический наук, профессор Ивницкий Виктор Аронович

Официал ьные оп п оненты :

- доктор технический наук Пешков Алексей Матвеевич

- кандидат технических наук Дыканюк Михаил Леонидович Ведущая организация:

Государственный институт технико-экономических изысканий и проектирования железнодорожного транспорта (ГИПРОТРАНСТЭИ).

Защита диссертации состоится _2001 г. в час

на заседании Диссертационного совета 9>Ж№02 при Государственном унитарном предприятии Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) по адресу: 129851, Москва, 3-я Мытищинская ул., 10, в Малом конференц-зале института.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке института.

Автореферат разослан 2001 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес института.

Учёный секретарь Диссертационного

совета, кандидат технических наук Винокурова Т.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы определяется необходимостью реформирования келезнодорожных управленческих структур за счет создания новых укруп-гённых регионов управления перевозками на сети железных дорог и управ-1ения порожними вагонопотоками в них в целях улучшения качества и более »ффективного управления перевозками.

Целью исследования является выявление общей тенденции и ¡акономерностей при формировании новой структуры сети и поиск штимальной структуры укрупнённых регионов по заданному критерию, эазработка программного и информационного обеспечения, учёт временного фактора в управлении порожними перевозками.

Методика исследования состоит в выборе с помощью разработанного тгоритма и рассмотрении различных вариантов укрупнённых регионов /правления перевозками и в обобщении транспортной задачи на случай учёта зременного фактора.

Научная новизна результатов, полученных автором диссертации, состоит з разработке метода нахождения оптимальной структуры управления перевозками на сети железных дорог по заданным критерию и ограничениям и гго программной реализации, а также метода оптимального распределения порожних вагонопотоков с учётом временного фактора в этих регионах.

Практическая ценность работы заключается в том, что программная реализация данных методов позволяет сократить время обработки информации, уменьшить трудозатраты, исключить ошибки при расчётах и проводить более оперативно и в короткие сроки расчёты по получению укрупнённых регионов управления на сети железных дорог по заданным критерию и ограничениям и оптимальному распределению порожних вагонов с учётом временного фактора.

Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, имеют обоснование в её тексте.

Реализация работы: Предложенный метод оптимального разбиения сен железных дорог на укрупнённые регионы централизованного управленш перевозками вместе с соответствующим информационным и программны!* обеспечением использованы при обосновании комплексных расчётов f выборе вариантов укрупнения железных дорог на перспективу дт совершенствования структуры управления железнодорожным транспортом.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и получили одобрение на конференции по ресурсосберегающим технологиям на железнодорожном транспорте, проведённой 29-30 июня 2000г. е Москве (МИИТ) и на первой конференции аспирантов и молодых учёных ВНИИЖТа, прошедшей 24-25 февраля 2000г. в Москве, на заседании кафедры управления эксплуатационной работы Санкт-Питербургского университета путей сообщения в апреле 2000г., а также на заседании НТС отделения и опубликованы в следующих работах:

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 4 в соавторстве.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и двух приложений, содержит 125 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 9 таблиц, 50 наименований литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследуемых вопросов.

В первой главе рассмотрен мировой опыт реформирования железных дорог и практика их использования в Северной Америке и странах Западной Европы. Рассмотрен также опыт железных дорог России. Дана постановка задачи исследования и анализ возможных подходов к разработке организационных структур управления железнодорожным транспортом.

Проблемам реформирования структуры железнодорожного транспорта в России посвяшены труды докторов технических наук Буянова В.А., Галабурды В. Г., Ивницкого В.А., Некрашевича В.И., Пешкова A.M., Сотникова Е.А., Тишки-

на Е.М., Шарова В.А., кандидатов технических наук Бодюла В.И., Бородина А.Ф., Дыканюка М.Л., Кротовой H.A., Шафиркина В.Б. и других специалистов.

Развитие средств вычислительной техники, связи и передачи данных, информатизации железнодорожного транспорта, внедрение современных информационных технологий в практику его функционирования выдвигают в качестве одной из основных задач адаптацию методов и структур управления перевозками на сети железных дорог к новым условиям. В рамках этой адаптации весьма актуальной является задача оптимизации как самих регионов управления перевозками, так и управления перевозками внутри них. Анализ практики реформирования железных дорог США, Канады и ряда стран Западной Европы указывает на общую тенденцию укрупнения регионов управления перевозками. При этом наблюдаются следующие основные тенденции:

- широкое применение средств организационной и вычислительной техники с созданием автоматизированных систем информационного обслуживания и управления;

- усиление роли централизованного планирования в системе управления;

- попытки создания гибких и динамичных организационных структур и систем управления;

- укрупнение предприятий с децентрализацией отдельных функций управления и усилением контроля;

- сокращение числа промежуточных звеньев управления.

Основные решения проведенной в Северной Америке реформы железнодорожного транспорта можно свести к следующему:

- глобальное, массовое внедрение новейших информационных технологий на базе современных средств коммуникаций и ВТ;

- централизация управления большими (20 - 30 тыс. км) железнодорожными полигонами с отказом от промежуточных административных /правленческих структур;

- концентрация в единых центрах всей работы с клиентурой по мар кетингу, по контролю состояния перевозочного процесса, по диспетчерском руководству работой и использованию подвижного состава, по оптимизаци; конкретных оперативных управленческих решений на большом управляемо! полигоне.

При анализе зарубежного опыта применительно к условиям железны: дорог России в первую очередь следует учитывать размеры сети, масштаб! перевозочной работы и грузопотоки. Корреспонденции грузопотоков в Рос сии таковы, что весьма значительная часть грузов перевозится на больши расстояния, около половины перевозок — междорожные. В этом — главно! условие, определяющее необходимость централизации управления отраслью Учитывая роль железнодорожного транспорта в России, к его реформи рованию необходимо подходить научно обоснованно, с тем, чтобы не допус тить ухудшения управляемости, безопасности движения и т.д.

Во второй главе разработан метод разбиения железнодорожной сети н; укрупнённые регионы централизованного управления перевозками. Для ре шения этой задачи сеть железных дорог представляется совокупностью неко торых неделимых единиц, в качестве которых можно взять станции, отделе ния и т.д. физическим аналогом которых являются отделения железных до рог по состоянию до 1996г. Далее понятие "отделение" используется толькс как элемент схемы, а не как реально существующее структурное подразделе ние железных дорог.

Технологическая постановка задачи сводится к следующему: есть сет) из 17-ти железных дорог, в которых находятся 86 отделений. Ставится зада ча: сгруппировать эти отделения в новые производственные структуры (ре гионы управления перевозками) в соответствии с заданными ограничениям! так, что бы критериальный показатель - погрузка в местном сообщении пс всей сети, был максимальным.

Железнодорожная сеть может быть представлена в виде связного сим метрического графа. Она состоит из регионов, которые являются связным»

мметрическими подграфами данного графа. В свою очередь каждый реги-состоит из отделений, которые можно рассматривать как вершины под-афов, составляющих полный граф. В дальнейшем подграфы (регионы) бум называть множествами, а вершины этих подграфов (отделения) - эле-нтами. Введем следующие определения. Два отделения являются смежны: если они имеют хотя бы один общий межотделенческий стыковой пункт, . непосредственно граничат друг с другом. Отделение называется пригра-чным или внешним, если оно имеет хотя бы один общий стыковой пункт с там огделением, не входящим в состав той же дороги, которой принадле-:т первое отделение.

Математическая постановка задачи сводится к следующему: есть связ-й симметрический граф с фиксированным числом вершин и дугами, со-шяющими их. Все вершины сгруппированы в несколько множеств. Эти ожества между собой не пересекаются. Крайние случаи: все элементы здят в одно единственное множество и каждое множество имеет мини-гсьный размер, включая в себя один единственный элемент (количество ¡ментов равно числу множеств). Ни одна вершина не может одновременно «надлежать более, чем одному множеству. Определено ограничение свер-на количество элементов, которое может принадлежать множеству - ни ю множество не может включать в себя число элементов, больше заданно-Задана функция, по которой осуществляется оценка текущего разбиения >шин данного графа на подмножества. Далее будем называть её оценочной нкцией или критерием (критериальным показателем). Требуется найти та: разбиение графа на подмножества, при котором значение критериального <азателя было бы наибольшим.

Пусть на сети имеются к регионов. Каждый из этих регионов состоит из зеделенного количества отделений, т.е. / - ому региону принадлежат т, от-1ений. Всего отделений N и они пронумерованы числами от ] до N. Каж-й /- ый регион с номерами /'"/.../"„,_ может быть охарактеризован крите-шьными показателями £/°].....О1'',.. Среди них выделяется некоторый базо-

вый критериальный показатель I?" , по которому ведется весь дальнейши] расчёт.

Базовый показатель для /-ого региона управления связан с характе

ристиками <Р,.....Л для этого же региона некоторой функциональной зави

симостью

^ ...../„)

20)=(с?",,..., - вектор характеристик ¿-ого региона управления.

Каждое из т, отделений /-ого региона имеет аналогичные региональны;*

характеристики (а(ц)1.....а(ц)п), составляющие вектор характеристик а(/,у)

для 7-ого отделения 1-ого региона управления. Региональные характеристик ( !,...,({''„ ) зависят от характеристик тех отделений, которые входят в состав данного региона. Так, если /'-ьщ регион состоит из отделений с номерами т0 региональные характеристики этою региона будут зависеть от векторов характеристик отделений с указанными номерами {а(1П)¡,... а(1П)т^>) где ¿(/'у - вектор характеристик /-ого отделения /'-ой дороги.

Имея в виду эти зависимости, можно считать, что показатель ЕР' некоторого региона зависит от векторов характеристик и номеров отделений входящих в данный регион, т.е.

Еп> =/, (а а (10>т:)) •

В свою очередь, железнодорожная сеть также может быть охарактеризована вектором критериальных показателей Соответственно базовый критериальный показатель 5 может быть определен зависимостью от разбиения Я1,..,к((1(,)1,.-Л0>т, ),--,(1<к)ь--Л(к>«?1.)) множества отделений {1,..,К} на подмножества (1п>|,..,1(1,л!|),..,(1,к)ь-.,1<к>т1.), ¡-ое из которых означает принадлежность отделений этого подмножества 1-му региону, т.е.

((Р>1,...?"т.),..,(1(к>1,~,1(к)т)))

Обозначим через Аг" /'-ый регион управления, - отделение с номером ¡"'а, принадлежащее ¡-ому региону управления, с1=]...т„ т.е. д(7г^е Аго, Аш={а(Р,).....а(1 "'„,_)}

Обозначим то свойство, что отделения (a(l0> j ) и (a(lw jj смежны, следующим образом: ((a(]f" j.J, (a(lM jj).

Задача оптимизации ставится следующим образом: Найти шах f(Rb..,N((l(l)i,..,l(1) (l®,,..,^^))) при ограничениях:

1) nii < п0, i= 1,... ,к, где п0 задано,

2) каждый укрупнённый регион должен представлять собой связное подмножество, то есть любые два отделения, входящие в этот регион, могут быть соединены путём, проходящим только по отделениям этого региона. Формальная запись этого ограничения имеет вид:

VA(,) &a(l',>t)&a(fi>J 3((a(fi,), a(f'Jjt)), (afh), (a(lü>h),..., (a(t*jJ, a(l'()m)i). Для решения этой задачи предлагается эвристический метод, существо которого сводится к следующему:

-задаётся некоторое начальное разбиение множества отделений (1,...,N) по регионам {(la> h..f\m,),.... т.е. R(0},..

-для него расчитывается базовый критерий S. Первоначальное значение фитерия (1

- осуществляется передача отделений от одного региона к другому эасчёт базового критериального показателя S<r на d-ом шаге.

При Sd> Sd.] эта передача закрепляется и переходим к следующему шагу. Для практического решения задачи нахождения оптимальных укрупнённых регионов управления по указанному методу используется следующий шгоритм. Ниже приведены его шаги:

1. Получить в качестве исходных данных вектора а" для всех отделений :ети железных дорог России.

2. Сформировать начальные условия для решения задачи, сгруппировав >тделения с учетом требований связности по начальным регионам.

В качестве начальных условий можно принять и существующее в на-:тоящее время разбиение совокупности отделений на железные дороги.

3. При заданном начальном разбиении R<0> ¡„„и {0'"i, ../'^.f,),.. (l'k"'i,..,¡'k\f\,)} для каждого из начальных регионов по заданной формуле исходным данным-характеристикам а" , входящих в эти регионы отделенш рассчитываются характеристики /-ого региона (á'!¡, ...,cf°„).

4. По характеристикам региона определяется базовый показатель D для каждого ¡'-ого начального региона.

5. По начальному разбиению и начальным показателям D ,..., L/ | количество начальных регионов) формируется показатель S для всей сет железных дорог.

Поиск оптимального разбиения исходной совокупности отделений у укрупнённые регионы управления осуществляется с помощью итераций, i каждой из которых происходит последовательное улучшение критериально1 базового показателя S. Следующие пункты 6-10 составляют основной цир алгоритма, который выполняется на каждой итерации.

6. Первый этап основного алгоритма состоит в формировании множес ва пограничных отделений Апо, к которым относятся те отделения регионо которые имеют связность с отделением соседнего региона.

7-8. Алгоритм учитывает передачу с региона на регион не только сами пограничных отделений, но и цепочек связанных с пограничным отделени соседний регионов на заданный в виде начального условия глубину g. Вт< рой шаг итерации состоит в том, что некоторое j-ое пограничное отделан передается от региона i , которой оно принадлежит в настоящий момен смежному региону к, который граничит с этим отделением, и вычисляете новое значение базового сетевого показателя S с учетом этом передачи 5 ' j. i, к) . Осуществляется передача и вычисляется также значение S ' (C(j), . к ) для цепочек Сф отделений соседних регионов, начинающихся с погр; ничного отделения j и имеющих длину от двух до заданного значения g.

Осуществляется расчёт S ' (j, i, к ) для всех отделений j, входящих множество пограничных отделений Апо , и S ' ( C(j), i. к) для всех цепоче отделений C(j). Передача отделений и цепочек с регион на регион, а такя

¡счет 5 ' (j, i, к) и S ' ( C(j). i, к ) осуществляется только в том случае, ко-а такая передача не приводит к превышению максимального количества делений (15,20,25) в том регионе, которому передаются эти отделения или почки.

9. Находится max S ' (j , i, к) среди S ' для всех передач пограничных делений на данной итерации. Соответствующее значению max S'j-oe по-аничное отделение передается в состав региона к.

10. Если значение max S ' превышает значение базового сетевого показа-пя S до начала данной итерации (max S ' > S), то соответствующее значе-ю max S ' j-ое пограничное отделение или C(j) - цепочка передается в со-1В региона к. Для двух соседних дорог ink, изменивших свой отделенче-ий состав, рассчитываются новые дорожные характеристики и новое знание базового регионального критериального показателя /У и If. Новым ачением базового сетевого показателя S становится

S = max S '

■ачинается следующая итерация. Алгоритм повторяется с 9-го пункта.

11. Процедура прекращается на той итерации, когда очередная величина х S ' (j,i,k) окажется меньше значения базового сетевого показателя 5 предыдущей итерации

maxS ' (j, i, к) <S и самым находится оптимальное разбиение множества отделений на новые ионы управления. Совокупность сформированных укрупненных регионов осматривается и выявляются регионы, содержащие менее пяти отделений 1жнее ограничение числа отделений в регионы). Такие регионы подлежат формированию и составляющие их отделения передаются соседним решай. Для этого повторяется основной алгоритм расчета (пункты 6-10) со дующими изменениями:

■ множество пограничных отделений формируется только из состава подлежащих расформированию регионов;

Ш цепочки отделений для передачи с региона на регион формируются из состава отделений регионов, подлежащих расформированию;

■ передача пограничных отделений и цепочек осуществляется с преимущественным правом в состав тех регионов, количество отделений которых не достигает максимально заданной величины при данной передаче, независимо от значения критериального показателя;

■ при расформировании мелких регионов допускается передача пограничных отделений или цепочек тем регионам, для которых в результате превышается максимально допустимое количество отделений.

12. Найденное оптимальное разбиение совокупности отделений на укрупнённые регионы может зависеть от начального разбиения. Поэтому целесообразно осуществить поиск оптимального разбиения отделений на регионы для различных начальных условий, в том числе для существующего распределения отделений по дорогам. В силу конечности числа отделений решение задачи находится за конечное число этапов. Экстремумы, полученные при различных начальных условиях, сравниваются между собой и выбирается лучший вариант разбиения отделений на укрупнённые регионы управления.

Блок-схема приведенного выше алгоритма решения задачи выбора оптимального разбиения отделений на регионы приведена на рис.1. Для практических расчетов произведена его детализация для основного цикла, формирования цепочки отделений заданной глубины, расчета приращений целевой функции.

Дана оценка характеристик предложенного метода деления сети на укрупненные регионы управления, выявлены его преимущества и недостатки и возможные способы его модификации.

В третьей главе представлены исходные данные и макеты матриц перевозок, межотделенческой связности, дано краткое описание программного обеспечения задачи выбора укрупнённых регионов управления, проведены варианты расчётов. Дан также анализ разработанных вариантов укрупнённых регионов управления. В качестве примера приведён один вариант. Програм-

/2. а

Определение исходных данных вектора отделенческих характеристик а"

1

Расчет показателей вектора характеристик начальных регионов й*

Формирование начальных условий начального разбиения отделений на укрутйн-ные регионы управления

Расчет критерваль-. нога показателя для каждого УРУ В

¡-¡+1

Формирование множества пограничных отделений Л"0

т

Расчет критериального показателя по сети в целом Л'

Последовательная

передача отделения из АП0 и цепочек отделений с региона на регион и расчет крит. показателя £ по сети

Основной цикл

(¡-ая итерация)

Нахождение максимального сетевого показателя для данной итерации

ш

Фиксация (очередно

полученного разбиения при заданных условиях

И

Выбор и представление лицам, принимающим решения (ЛПР) конкурентоспособных варианов.

Рис. 1 Блок-схема алгоритма поиска оптимального разбиения совокупности отделений на укрупнённые регионы управления

ма по проведению расчётов написана на языке программирования Borla Pascal 7.0. Время работы программы зависит от мощности вычислительн! средств, количества перебираемых вариантов, зависящих в свою очередь длины рассматриваемой цепочки, а так же от начальных условий группир вания элементов. Так как в графе, представляющем сеть, на каждый рассм; риваемый по передаче в другое множество элемент, в среднем приходится: 2,5 связи с другими элементами, то при увеличении длины цепочки на од: элемент число просматриваемых вариантов для нахождения максимума кр терия на данном цикле возрастает в геометрической профессии, увел ичиг ясь примерно в 2,5 раза. Так, например, на ПК Pentium-100 время расчёта с ного цикла при длине цепочки, обозначаемой через di = 2 составляет t ~ 6 при di = 3 t = 20 с; при di = 4 t = 45 с; при di = 5 t = 2 мин. и при di = 6 t = мин. Расчёты при длине рассматриваемой цепочки в 7 элементов и более : проводились в силу недостаточной мощности ПК и, как следствие этог очень долгого времени вычисления. Расчёт одного отдельно взятого вариан осуществляется за несколько десятков однотипных шагов (обычно 20-! циклов), причём на первых циклах требуется значительно больше времен чем в конце работы программы. Это объясняется тем, что количество вне1 них (приграничных элементов) на начальном этапе значительно больше ч( в конце, а значит и количество рассматриваемых вариантов больше, что, с ответственно, требует больше времени для расчётов. В конце же работы пр граммы одни множества за счёт распада других укрупняются в размера увеличивая тем самым в своём составе количество внутренних элементов значительной степени больше, чем внешних и уменьшая общее число вне1 них элементов. А уменьшение числа внешних элементов ведёт к уменьш нию числа рассматриваемых вариантов по передаче элементов из одно множества в другое.

Вариант № 1 (табл. 1) был рассчитан для 16 начальных железных д рог и при глубине обработки - 2. Последнее означает, что передача отдел ний от одной дороги к другой осуществляется как по одиночке, так и парам:

В результате расчетов в этом варианте получилось семь укрупненных регионов управления. Они включают в себя следующие дороги и отделения дорог:

1. Московская ж.д., Юго-Восточная ж.д., Московское (1), Санкт-Петербург-Витебское (2), Санкт-Петербургское (3), Волховстроевское (6) отделения Октябрьской ж.д.; всего 20 отделений;

2.Северная ж.д., Петрозаводское (4), Мурманское (5), Волховстроевское (6) отделения Октябрьской ж.д.; всего 11 отделений;

3. Горьковская ж.д., Куйбышевская ж.д., Саратовское (4) Ершовское (3), отделения Приволжской ж.д., Златоустовское (1), Курганское (3), Карта-линское (5), Орское (6), Оренбургское (7) отделения Южно-Уральской ж.д., отделение в подчинении Южно-Уральской ж.д. ( бывшее Челябинское - 2); всего 17 отделений;

4. Северо-Кавказская ж.д., Астраханское (1), Волгоградское (2) отделения Приволжской ж.д.; всего 9 отделений;

5. Свердловская ж.д., Курганское (3), Петропавловское (4) отделения Южно-Уральской ж.д.; всего 10 отделений;

6. Западно-Сибирская ( включая бывшую Кемеровскую), Красноярская ж.д., Восточно-Сибирская ж.д.; всего 10 отделений;

7. Забайкальская ж.д.; Дальневосточная ж.д.; всего 10 отделений.

Общее количество межрегиональных стыков на сети при данном варианте укрупнения составляет 21 стык.

Местный грузопоток по этому и другим вариантам укрупнения для каждого из регионов приведен в таблице 1.

Суммарный местный грузопоток на сети в этом варианте составляет 577590138 тонн. С учетом того, что до укрупнения местный грузопоток составлял 459503128 тонн, получаем, что при этом варианте укрупнения местный грузопоток увеличивается в 1,26 раза. Варианты, полученные при глубинах обработки 3 и 4 и дающие 6 укрупненных регионов управления увеличивают местный грузопоток в 1,3 раза.

Таблица 1

Результат расчета укрупнения регионов управления при исходных 16 дорогах

Исходная величина Местной погрузки (тыс.тонн)«459503 Глубина просмотра

Глубина Прирост (раз) 2 Вариант 1 3 4 5 б

№ регно на местная погрузка (тыс. тонн) № регио на местная погрузка (тыс. тонн) № региона местная погрузка (тыс. тонн) № регио на местная погрузка (тыс. тонн) № регио на местная погрузка (тыс. тонн)

2 1,26 I 107329 1 85338 1 99926 1 99926 1 129719

3 1,3 2 55612 2 95159 2 75773 2 75237 2 91950

4 1,3 3 46084 3 46084 3 55294 3 55294 3 46084

5 1,33 4 64473 4 157962 4 153656 4 158773 4 112950

6 1.31 5 95212 5 171227 5 171227 5 223322 5 223322

6 168294 6 40587 6 40587

7 40587

Итого погрузка в местном сообщении по сети 577590 596356 596463 612552 604026

Количество и структура укрупненных регионов управления, увеличение местного грузопотока при таком укрупнении в определенной степени зависят от глубины обработки. Эта зависимость представлена в первом столбце таблицы 1. Каждая таблица представляет результат расчета для заданного совокупного груза при заданном ограничении числа отделений. В каждой таблице по глубине просмотра (от двух до шести) представлены следующие результаты:

■ номер региона;

■ местная погрузка в тыс. тонн.

Слева в таблице для каждой глубины просмотра указан прирост погрузки в местном сообщении в результате укрупнения регионов по сравнению с исходной погрузкой в местном сообщении, которая представлена в таблице в левом верхнем углу. Итоговое значение погрузки в местном сообщении представлено для каждой глубины просмотра в последней строке таблицы.

Укрупнение регионов проводилось как для грузов всего, так и для отдельных родов грузов. Как показывает анализ, наибольший прирост местной работы (табл. 2) в результате укрупнения регионов управления достигается

для грузов с высоким коэффициентом порожнего пробега (нефтяные и прочие грузы). При различных ограничениях погрузка в местном сообщении увеличивается в 1,36; 1,48 и 1,53 раза, в результате укрупнения регионов до семи, пяти и четырех соответственно.

Меньший эффект от укрупнения регионов достигается для грузов с низким коэффициентом порожнего пробега. Погрузка в местном сообщении для этих грузов увеличивается в - 1,2; 1,23 и 1,27 раза соответственно. Для грузов в целом погрузка в местном сообщении увеличивается в - 1,21; 1,27; 1,28 раза соответственно.

Таблица 2

Максимальный прирост погрузки в местном сообщении при укрупнении регионов

Совокупный груз Не более 15 отд. Не более 20 отд. Не более 25 отд.

Число дорог Максим прирост (раз) Число Дорог Максим Прирост (раз) Число Дорог Максим Прирост (раз)

Грузы в целом Грузы с высоким КПП Грузы с низким КПП 7 1,21 7 1,36 7 1,2 5 1,27 5 1,48 6 1,23 4 1,28 4 1,53 5 1,27

Количество регионов погрузки в местном сообщении существенно зависит от ограничений как по количеству отделений так и по глубине просмотра транспортного потока. Выполнен так же расчёт по доле местной погрузки по семи федеральным округам и по реализуемым в настоящее время семи региональным центрам управления перевозками (ЦУПР). Последний расчёт использовался для обоснования структуры ЦУПРов.

В четвёртой главе решается задача распределения ресурсов с учётом моментов времени их образования и потребности использования. По информа-

ции о поступлении грузов на станции погрузки можно сделать прогноз о моментах поступления грузов и объемах поступающих грузов (в вагонах) в эти моменты времени. По начальному состоянию, прогнозам моментов подхода груженых вагонов на станции выгрузки и количеств этих вагонов, подходящих на эти моменты, прогнозам моментов поступления грузов и их объемах (в вагонах) на станции погрузки необходимо составить план распределения порожних вагонов, чтобы минимизировать их суммарный порожний пробег или затраты, связанные с порожними пробегами этих порожних вагонов. При этом надо учесть расписание движения сборных и вывозных поездов, чтобы из-за неучёта этого расписания не было излишних порожних пробегов. Математическое описание сформулированной инженерной задачи.

1. Рассматривается распределение порожних вагонов одного рода или взаимозаменяемых под один род груза. Соответственно груз рассматривается одного рода и его объемы исчисляются в вагонах.

2. Каждая (1-ая) станция выгрузки характеризуется следующим вектором

а! (Х±в ) = ((ад'", ^ ), (аЛ I* <2>),...,( а.'У, ^ V )), ( 1 ) где ^ (<Г| - <1-ый момент образования ресурсов (порожних вагонов) на ь ой станции выгрузки 1 < <1 < Ц

Ц- общее количество моментов образования ресурсов, на ¡-ой станции выгрузки на рассматриваемом периоде,

ai - объем ресурсов, образовавшихся на ¡-ой станции выгрузки в момент , ¡=1,...,п, где п - число станций выгрузки.

= '' >•■•> ^ 'V)

Каждая (j -ая) станция погрузки характеризуется следующим вектором щ „ )=(( в,^ <" ), (в3 <*, ц ),...,(в, "У, «V ) (2) у - к-ый момент возникновения потребности в погрузочных ресурсах на .¡-ой станции погрузки, 1 < к £ а,,

б-, - общее количество моментов возникновения потребности в погру-

зочных ресурсах на ^ой станции погрузки в рассматриваемом периоде,

в'", - объем погрузочных ресурсов на ]-ой станции погрузки, потребных в момент

^ = ^ 'V), ]=1,...,ш, га-число станций погрузки

3. Начальное состояние характеризуется векторами (а^о),..., а„(о)) и (В) (о),...,вт (о)) (3)

где 81(0) - погрузочные ресурсы на ¡-ой станции выгрузки в момент начала рассматриваемого периода, ¡=1,...,п,

В; (о) - потребность в погрузочных ресурсах на .¡-ой станции погрузки в момент начала рассматриваемого периода, ]=1

4. Введем следующие переменные:

Хц = (Ъ(я , ^ №) - количество порожних вагонов, которое надо отправить с ¡-ой станции выгрузки в момент их образования г"', на ]-ю станцию погрузки к моменту потребности в них г/1", е=1,...е,-, с!=1,...<^ ,1=1,...,п, j=l,...,m.

5. Потери от пересылки порожних вагонов задаются так:

С у 111 - потери на 1 порожний вагон при его транспортировке от ¡-ой станции выгрузки (момент его образования ) к j-oй станции погрузки к моменту потребности в погрузочных ресурсах ^ ">), е=1,...е;, (1=1,. ,¡=1.....п,]=1,...,т.

6. Целевая функция Б - суммарные потери от транспортировки порожних вагонов, задается в виде:

п т е 1

Р = тт II I I ХдСГ.^-ОСйв« (4)

¡=1 .¡-1 е=1 ¿=1

е=1.....е,1,й=1.....ф

т=1.....гу=1,...,т

7. Ограничения задаются следующим образом:

п

I'", ^/"'-Ц (V" л/')

Здесь t ¡j (t j t,l<") - время транспортировки порожнего вагона с i-ой станции выгрузки (момент его образования (выгрузки) tj(c)) до j-ой станции погрузки к моменту возникновения потребности в погрузочных ресурсах tj (d)) . Это время включает в себя транспортировку в качестве местного вагона и транспортировку в международной корреспонденции порожних вагонов. Таким образом, оно зависит от расписания движения вывозных и сборных поездов, а также вообще от графика движения грузовых поездов, включающих в себя группы порожних вагонов. Ограничения при суммировании по второй сумме вытекают из того, что транспортировать на j-ую станцию к моменту tj(d)) можно только те вагоны, которые могут попасть на эту станцию к этому моменту. В формуле (5) ограничение формулируется для случая, когда не допускается прибытие порожних вагонов на станцию погрузки позже положенного срока. Если же допускается прибытие порожних вагонов на станцию погрузки позже положенного срока на величину не более Д с соответствующим штрафом, то этот штраф учитывается в целевой функции (4), и в ограничении (5).

8 Формулировка задачи оптимизации: в связи с вышеизложенным оптимальная задача по распределению порожних вагонов с учетом временного фактора формулируется следующим образом: л ш е, • dj

Найти min III I Х„ (tf.t,«) С 0 (^>,1/'>),

¡=1 j=l е-1 сМ ХцА*,.«!»)

i=l,...,nj=l,...,m

при ограничениях:

I I

¡-1 t^St/'-ty (t,«t,«) j = 1,...,Ш

m

II Xij (tr, tj <«)= a„e, e=lej j«i Л s«,w + tij (V", tj"") i=l,...,n

при жесткой привязке к моментам t ,-<0, tj"1 е=1,..., zt d=ldj

] = 1,...,гп, ¡= 1,..., п, то есть когда опоздания порожних вагонов к нужному сроку не допустимы.

При возможности опозданий порожних вагонов на станцию погрузки к дужному сроку в оптимальной задаче вводятся соответствующие изменения. Время транспортировки порожних вагонов со станции выгрузки 1 до станции тогрузки 3 с учетом расписания движения поездов равно

^^и + ие'-М^ + ^-^'^+^+и^+гь (2)

где I е(с' - время простоя вагонов на станции 1 в ожидании формирования тоезда на станцию е';

I с- ^ * - время простоя вагонов на станции е' в ожидании формирования тоезда на станцию

I ; - время транспортировки вагонов с места выгрузки на фронтах выгрузки до пути прицепки к поезду.

Необходимо учитывать как затраты, связанные с дополнительными по-зожними пробегами, так и штрафы за возможный простой грузов.

Когда груз может простаивать в ожидании порожних вагонов ив этом :лучае приходиться платить штраф. При этом С ^ (1 ¡<0, Т^"") распадается на 2 ¡оставляющие. Первая составляющая / j {I ; , ^ и) представляет собой

шстые затраты на доставку 1 порожнего вагона из станции выгрузки \ с моР)

1ента 11<"до станции погрузки 3 к моменту I jм>. Вторая составляющая С ,• j ^ , I ^"") возникает в случае выполнения неравенства 1(с), > I(<)^ * I (ь, т.е. это цтраф за не вовремя доставленный порожний вагон, та величина есть функ-дая времени задержки. Величина задержки равна

I (I>I-1; 1) (I ">,■ + I I-¡), где 1(А)= -Г !.'А ушилось

4 ' ' ' ' ' и 0 в противном случае

Сак правило, штраф не является линейной функцией длительности интервала

адержки. Обозначим эту функцию при времени задержки I через Тогда

:оэффициент С|; (г ¡№, г ¡№) в целевой функции, приведенной выше, опреде-

1яется по формуле

гд<>) = с(.,)и (I IЛ + и I > I ч -I ) ) ( I+ I а

Время транспортировки I ,) может зависеть также от времени I и t(d, что определяется расписанием движения поездов, поэтому используем об( значение для него 1 i j (г i, г

Задача сводится к стандартной транспортной задаче, которая решаете известными методами. Здесь увеличивается размерность задачи за счет вр< менного фактора. При отсутствии его размерность задачи (количество пер< менных х равна п* т. Пусть по каждой станции к моментов образования моментов потребления порожних вагонов. Тогда размерность задачи требуе привлечения соответствующих вычислительных средств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Развитие средств информатизации железнодорожного транспорта, вш дрение современных информационных технологий в практику его фую ционирования в число важнейших ставят задачу адаптации методов структур управления перевозками на сети железных дорог к новым услс виям. В рамках этой адаптации выделена весьма актуальная задача опта мизации как самих регионов управления перевозками, так и управлени перевозками внутри них.

2. На базе анализа практики реформирования железных дорог США, Кана ды, стран Западной Европы, России и стран СНГ выявлена общая тенден ция укрупнения регионов управления перевозками и дан анализ возмож ных подходов к разработке организационных структур управления пере возками.

3. Разработана математическая постановка оптимальной задачи деления сет] железных дорог на укрупненные регионы централизованного управлени: для произвольного сетевого критерия с ограничениями, в частности, н; размеры регионов. В качестве неделимых элементов предложено исполь зовать отделения железных дорог, существовавшие на начало 1996г.

4. Предложен эвристический метод решения задачи оптимизации делени; сети железных дорог на укрупненные регионы на базе передачи от одно1

дороги к другой цепочек отделений и на его основе разработана методика её решения. Этот метод позволяет перевести решение задачи оптимизации деления сети железных дорог на укрупненные регионы в плоскость практических решений.

В соответствии с этим методом разработан укрупненный алгоритм решения задачи. Для практических расчетов произведена его детализация для основного цикла, формирования цепочки отделений заданной глубины, расчета приращений целевой функции и т.д.

Дана оценка характеристик предложенного метода деления сети на укрупненные регионы управления, выявлены возможные способы его модификации.

Разработано информационное и программное обеспечение задачи деления сети на укрупненные регионы централизованного управления, в частности, сформированы матрицы межотделенческой смежности, межотделенческих расстояний и перевозок.

Проведены вариантные расчеты по выбору оптимальных регионов централизованного управления. В качестве сетевого критерия использовалась местная погрузка на сети. Расчеты проводились при ограничении на допустимую величину региона до 15,20,25 отделений. Для обоснования структуры семи региональным центрам управления перевозками (ЦУПР), реализуемым в настоящее время, выполнен расчёт по их долям местной погрузки.

. С целью оптимального управления перевозками (вагонопотоками) внутри регионов централизованного управления разработаны технологическая и математическая постановки задачи динамической оптимизации обеспечения погрузки порожними вагонами. Она базируется на том, что система СФТО дает возможность прогнозировать не только пункты образования потребностей в порожних вагонах, но и сами моменты образования таких потребностей, а система ДИСПАРК дает возможность прогнозировать не только пункты образования порожних вагонов, но и сами моменты их

образования. В связи с этим транспортная задача из стационарной ( бе: учета времени образования и потребления ресурсов ) превращается в нестационарную ( с учетом времени образования и потребления ресурсов ] или задачу динамической оптимизации обеспечения погрузки порожним* ресурсами ( вагонами ). Эту задачу также можно назвать транспортной задачей с учетом временного фактора.

11. Разработан алгоритм решения транспортной задачи с учетом временногс фактора и его программное обеспечение. Дана оценка времени её решенш в зависимости от размерности. Решение этой задачи позволит улучшит! распределение порожних вагонов.

1. Соколов Н.Б. Автоматизация определения укрупнённых регионов управления. - Железнодорожный транспорт в современных условиях. Под ред. В.М.Богданова, Г.В.Гогричиани. Сб. статей молодых учёных и аспирантов. - М., Интекст, 2000, с.11-18.

2. Соколов Н.Б. Анализ неравномерности погрузки и разработка критериев стабильности перевозок. - Конференция аспирантов и молодых учёных по проблемам железнодорожного транспорта: тезисы докладов.-М,2000,с.14-15

3. Гершвальд A.C., Канарская Л.А., Соколов Н.Б. Автоматизация планирования резерва вагонов в местах погрузки. - Вестник ВНИИЖТ, 1999 №2,с.З-8.

4. Ивницкий В.А., Буянов В.А., Соколов Н.Б. Динамическая оптимизация обеспечения намечаемой погрузки погрузочными ресурсами. - Вестник ВНИИЖТ, 2000 №5, стр.28-31.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ