автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Комплексная системы автоматизированного составления графика движения поездов на сети ПКП

На правах рукописи

Магистр инженер Хенрик КУР

КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СОСТАВЛЕНИЯ ГРАФИКА ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ НА СЕТИ ПКП

Специальность 05.22.08 - Эксплуатация железнодорожного транспорта

(пключая системы сигнализации, централи-загции и блокировки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1997

Работа выполнена в Центральном научно-техническом институте железнодорожного транспорта Польши (ЦНТК РП)

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

В.И. Некрашевич (ВНИИЖТ)

Официальные оппоненты - доктор технических наук

В.А. Шаров (ВНИИЖТ)

- кандидат технических наук, доцент

А.А. Абрамов (РГОТУПС)

Ведущие предприятия - Центральная окружная дирекция ПКП;

- ¡Иго-Восточная железная дорога.

7.К сгнтя6(ьЯ

Защита диссертации состоится " '* / 1997 г.

в "43" час. на заседании Диссертационного Совета Д 114.01.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта по адресу: 129851, Москва, 3-я Мытищинская ул., Ю, в Малом конференц-зале института.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке института.

Автореферат разослан 1997 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу Совета института.

Ученый секретарь Диссертационного

Совета, кандидат технических наук

Н.В.Кондрахина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современные требования к качеству выполнения перевозок диктуют необходимость повышения регулярности, пунктуальности и ритма перевозочной работы на целых направлениях сети Польских железных дорог (ПКП), дифференцированного подхода к организации транспортировки пассажиров и грузов. При этом снижение себестоимости перевозок и повышение их доходности в значительной мере зависит от разработки и внедрения ряда комплексных систем, оптимизация функционирования которых влияет на улучшение работы сети ПКП, а также обеспечивает получение высокого качества транспортного обслуживания как грузоотправителей и грузополучателей, так и пассажиров. Это, наряду с повышением технологической дисциплины в организации перевозочного процесса требует постоянного совершенствования форм и методов организации эксплуатационной работы. Важнейшим средством правильной и четкой организации движения поездов служит график движения поездоЕ. Е связи с этим требуется обеспечить в условиях автоматизации комплексный подход к составлению графика движения поездов (ГДП) в целом для сети ПКП, предусматривая при этом превращение его в реальный технологический процесс организации всей работы участков и целых направлений, с учетом взаимосвязи с технологией работы станций, а также с графиками работы локомотивов и локомотивных бригад; эксплуатационной надежности ГДП; формирования единой модели окружных дирекций (ОД КП) и базы данных; использования современных вычислительных средств и др. Необходимо было создать современ-

ную технологию конструирования ГДП, для чего установить теоретические аспекты автоматизированной системы комплексного составления на ПЭЕМ ГДП в целом для сети ПКП, определить этапность ее разработки и внедрения. Это в конечном итоге создает необходимые предпосылки экономичного и надежного функционирования ГДП в условиях, когда на его основе осуществляется реализация перевозочного процесса на сети ПКП.

Решение этой проблемы имеет важное народнохозяйственное значение, поскольку позволяет более аргументировано решать экономические и социальные задачи на ОД КП и в целом по сети ПКП.

Исследования по теме диссертации выполнены в соответствии с планами НИР ЦНТК РП.

Целью исследования является разработка автоматизированной системы комплексного составления ГДП, обеспечивающей для сети ПКП централизованное его построение на основе формирования единой базы данных и использования создаваемых в ОД и Генеральной дирекции (ГД ПКП) локальных вычислительных сетей. Реализация этой цели требует постановки и решения следующих основных задач:

- совершенствование методики составления ГДП для сети ПКП на основе формирования единой модели ОД КП и базы данных, а также создания локальной компьютерной сети;

- создание теории построения автоматизированной системы комплексного составления на ПЭЕМ ГДП и этапности ее внедрения на сети ПКП;

- разработка практических рекомендаций по технологии

комплексного составления ГДП в целом для сети ПКП.

Методика исследования предусматривает детальное изучение и раскрытие закономерностей, определяющих эффективность функционирования перевозочного процесса, и на этой основе создание эксплуатационно-экономических моделей определения работы подвижного состава, зависящих от параметров ГДП; выполнение комплексных расчетов на ПЗЕМ; проведение технико-экономических сопоставлений вариантов и выбор на их основе оптимальных параметров ГДП и рациональной этапности его построения при использовании ПЭВМ. Методика предусматривает также проверку результатов исследования путем сопоставления их с данными полученными е эксплуатационных условиях.

В диссертационной работе использованы методы исследования операций, в том числе теории вероятностей и математической статистики, линейного программирования, математического моделирования; элементы теории графов.

Научная новизна работы заключается:

- в создании комплексной технико-экономической модели определения оптимальных параметров ГДП во взаимосвязи с технологией организации перевозочного процесса на ПКП;

- в теоретическом обосновании построения автоматизированной человеко-машинной системы комплексного составления ГДП и этапности ее внедрения на сети ПКП;

- в создании практических рекомендаций по технологии комплексного составления ГДП в условиях автоматизации.

Практическая ценность работы состоит:

- в оптимизации основных параметров ГДП (размеров движения, резервирования времени хода поездов, согласования прибы-

тия и отправления поездов в узлах, станционных и межпоездных интервалов и др.), обеспечивающих на его основе устойчивую работу направлений сети ПКП;

- в создании комплексной системы автоматизированного составления ГДП, функционирование задач которой позволяет повысить производительность вагонов, локомотивов и труда локомотивных бригад; сократить затраты ручного труда на составление ГДП и ускорить сроки его построения в целом для сети ПКП;

- в использовании результатов при подготовке рекомендаций для инженеров графистов:

1) по согласованию пассажирских поездов на узловых станциях;

2) по определению размеров движения пассажирских и пригородных поездов по периодам суток (часы "пик");

3) по прокладке грузовых поездов с учетом разной стоимости электроэнергии на тягу поездов по периодам суток.

Реализация работы. Результаты диссертации использованы в утвержденной Генеральной дирекцией ПКП инструкции по составлению ГДП.

Основные задачи комплексной системы автоматизированного составления ГДП внедрены на сети ПКП: составление собственно ГДП - в 8 ОД КП и в целом для сети ПКП; тяговые расчеты и база данных о ГДП - в 8 ОД КП; график оборота пассажирских составов - в 35 вагонных депо; график оборота локомотивов и локомотивных бригад пассажирского движения - в 80 локомотивных депо; график оборота кондукторских бригад - е 97 пунктах их приписки.

Апробация работы. Основные положения

исследования по созданию комплексной автоматизированной системы составления ГДП доложены и одобрены на сетевых совещаниях и научно-технических советах ГД ПКП; научных семинарах во ВНИИЖТ РФ, на научно-технических советах отдела перевозок ЦНТК РП и отделения Управления перевозочным процессом ВНИИЖТ РФ.

Публикация. Основные положения диссертации опубликованы в 11 научных работах, в том числе - 9 на польском языке, 2 - на русском, результаты исследования демонстрировались на выставке в г.Еаршаве.

Объем работы. Диссертация общим объемом 164 страницы состоит из введения, пяти глав, еыеодое по главам, заключения, списка использованных источников ( 205 наименований) и одного приложения. Объем диссертации без приложения 180 страниц, в том числе иллюстраций - 18 , таблиц - 7.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана важность и актуальность решения задачи по созданию комплексной автоматизированной системы составления ГДП в целом для сети ПКП; определены основные направления исследования; обоснована цель и структура работы.

В первой главе дан анализ развития теории и практики совершенствования методов составления ГДП в Польше и за границей. Показано, что с первых лет существования железных дорог польские ученые и инженеры непрерывно совершенствовали теорию и практику эксплуатационной работы и, в частнсс-

ти, большое внимание уделяли вопросу построения ГДП как директивного документа, так и технологической осноеы перевозочного процесса. Большой вклад в теорию развития проблемы по оптимизации параметров и автоматизации разработки ГДП, а также по его превращению в реальный технологический процесс организации всей работы участков и целых направлений Енесли ученые-транспортники Польши: В.Выжиковский, Б.Гайда, А.Туско-ляски, Е. Венгерский, Л.Новосельский, Р.ЗалеЕски, Т.Кущиньски, Е.Лещински, Б.Корзан, К.Кожухобски, А.ПоЕала, Е.Жук, М. Мищик и др..

Однако в предыдущих исследованиях не сформирован комплексный подход к рационализации параметров ГДП и технологии его составления; не разработаны теоретические аспекты создания и этапности Енедрения на сети ПКП автоматизированной системы составления на ПЭЕМ графиков движения поездов; отсутствует единый подход к формированию единой модели ОД КП и базы данных о ГДП, а также к созданию локальной компьютерной сети для целей составления сетевых ГДП. Требуют совершенствования: методы составления графиков оборота пассажирских составов, а также планов работы локомотивных и кондукторских бригад в условиях автоматизации; система согласования прибытия и отправления поездов в узлах на стадии составления ГДП и др.

На большинстве зарубежных железных дорог завершен или осуществляется переход к автоматизированному составлению ГДП. При этом для составления на ПЭЕМ графиков движения поездов е осноеном используют два метода: автоматический, когда делается попытка автоматической подготовки оптимального графика движения поездов, и диалоговый. Заслуживает внимания создан-

ная на дорогах России технология централизованной разработки ГДП с использованием средств вычислительной техники. В развитие теории и практики ГДП в странах СНГ внесли большой вклад такие ученые и практики как А.А.Аветикян, В.А.Буянов, И.И.Васильев, Н. А. Воробьев, Ю.В.Дьяков, А.Д.Каретников, В.Е.Козлов, И.Т.Козлов, Б.М.Максимович, В.И.Некрашевич, А.Н.О'Рурк, А.П.Петров, Е.А.Сотников, Е.М.Тишкин, В.А.Шаров, А.К.Щели-говский, П.Я.Гордеенко, А.Д. Чернигов, Г.Н.Тихонов, Г.И.Дер-жавец и др. В ряде зарубежных стран (Англия, США, Япония) наметившаяся тенденция составления ГДП предполагает возможность иерархического его построения для поездов разных категорий в интерактивном режиме. Однако наличие отличительных особенностей в работе сети ПКЛ от зарубежных, отсутствие в имеющихся литературных источниках детального описания алгоритмов, применяемых методов и программного обеспечения не позволяет в полной мере использовать зарубежные разработки по автоматизации составления ГДП на ПКП.

Вторая глава содержит общую теорию выбора способов и методов построения комплексной системы разработки на ПЭЕМ графиков движения поездов в целом для сети ПКП на основе формирования единой модели ОД КП и базы данных, а также создания локальных компьютерных сетей. Система включает в себя широкий круг вопросов, начиная от определения нормативных показателей (времени хода и т.д.) и заканчивая вычерчиванием хода поезда на бланках установленных форм и печатанием книжек расписания движения поездов, включая составление графиков оборота локомотивов, кондукторских и локомотивных бригад. Комплексную задачу автоматизированного составления на ПЭЕМ

графика движения поездов в целом для сети ПКП (КСАСГДП) можно отнести к классу задач оптимизации со многими переменными и выбором решения в условиях некоторой неопределенности. Учитывая большую размерность комплексной задачи составления графика движения, для ее решения применен метод, использующий эвристические соображения для представления общей задачи в виде определенной последовательности девяти основных задач. Математическая постановка задачи создания КСАСГДП сформулирована следующим образом.

Полигон сети ПКП, состоящий из Б раздельных пунктов и Ъ перегонов, представлен ориентированным графом

В = (Р,У) , (1)

где Р = (р!) - множество вершин графа 6 ( множество ограничивающих перегоны раздельных пунктов (РП) сети ПКП), |Р\=5;

V = - множество ребер графа 6 (множество перегонов (расчетных участков - РУ) между выделенными РП), IVI =г.

Каждой з.-ой вершине (РП) и каждому ¿-ому ребру (РУ) поставлено в соответствие некоторое множество технологических, временных и топологических параметров: ТСрО - тип и оснащение 1-го выделенного РП; Л(Рх) - тип депо и характеристика технического оснащения устройств локомотивного хозяйства на 1-ом РП; ^(р2) - технологическая норма Бремени на перецепку локомотива на 1-ом РП; Щр/; - территориальная принадлежность РП; Ьп.т(Р1) " технологическая норма времени, связанная с обслуживанием транзитного без переработки поезда; 1(у0) -длина ¿-го РУ; с(у3) - число главных путей на ,]-ом РУ ; 0(у:)

- техническое оснащение о-го РУ; 3^) - территориальная принадлежность з'-ого РУ; - пропускная способность ¿¡-ого РУ; Пг(у^) - объем грузовых перевозок (в четном и нечетном направлениях) с разбиением их на группы и категории по назначениям на о-ом РУ (грузопоток или размеры движения); Ппс(^)

- объем пассажирских перевозок (в четном и нечетном направлениях) с разбиением их по категориям сообщения и назначениям на з'-ом РУ (пассажиропоток или размеры пассажирского движения) и другие, то есть заданы наборы весов ребер и меток вершин графа 6.

Задано разбиение сети ПКП на конструкторские участки (КУ), то есть декомпозиция исходного графа

а = и (Зк , (2)

к=1

где V - число КУ, каждый из которых состоит из части направления линейного типа (то есть без ответвлений), включающего не более 60 РУ, и представляет собой связный подграф <3к = (Рк.Ук) графз С.

При этом

<3к С (Рк.Ук). Рк С Р, ЧКС V

iv VI

Р = и Рк, V = и Ук к=1 к=1 и для любых фиксированных

X, з Ц=1,\7; о =1.И : V! П V3 = 0)

Рк

а (Зк = и (Зк*, где Рк. - число перегонов в пределах к-ого КУ.

(3)

(4)

Для каждого подграфа Оц графа 6, соответствующему к-ему

КУ, выполняется условия

Pk = { Pki I i=l7Sk } , Uk = { Vki | j=T7Zk } (5) и V Pkm, Pur. e Pk

цепь SCPkm.Pkn) = (Vkm, Vk^+i,...,Vkn-l); (6)

Vkq = (Pjtq, Fkct+l); (?)

L(Gjt) = |ll(Vkj), (8)

j=l

где Zk - число перегонов в пределах к-ого КУ;

Sk - число РП, расположенных в пределах к-ого КУ; L(Gk) - длина к-ого КУ;

l(Vkj) ~ длина j-oro перегона в пределах к-ого КУ.

Условия (3),(5),...,(7) определяют то, что объединение Есех КУ полностью охватывает весь полигон сети ПКП, то есть 6 - сумма сеоих подграфов G^; КУ не пересекаются по выделенным перегонам; каждый КУ является связным подграфом и длина каждого из них находится в установленных границак.

Задано разбиение графа G на суграфы G'Zl каждый из которых представляет участок обращения локомотивов (УОЛ), в пределах которого выделяют участки работы локомотивных бригад (УРЛБ), то есть декомпозиция суграфа G'2 на части подграфа G"p.

Требуется среди множества оценок конструкций графика W = f(G,S,R,V,L,E,K), (где G,S,R,V,L,E,K - параметры комплексного составления ГДП) найти G*,5*,R*,V*,L*,E*,K* при которых целевая функция суммарных зависящих расходов W -> min.

Здесь (*) - значения параметров функционала W, приводящие к

локальным оптимумам каждую из систем в отдельности.

Задача решается методом последовательной покоординатной оптимизации в соответствии с иерархией, установленной на основе анализа связей между частными задачами КСАСГДП (системами) иерархией (рис.1): ЕЗДА - выполнение тягоеых расчетов; ГРАФИК (6) - составление расписаний движения поездов по КУ; СОГЛАСОВАНИЕ (Б) - согласование прибытия и отправления пассажирских поездов в узлах; РАСПИСАНИЕ (Ю - составление графика оборота пассажирских составов; ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ (V) - взаимоувязка расписаний движения грузовых поездов с технологией работы сортировочных и маневровых станций; ОБОРОТ (I.) - составление графика оборота локомотивов; БРИГАДЫ (В) - составление графика оборота локомотивных бригад; СГОКБ (К) - составление графика оборота кондукторских бригад; ФПВД - формирование и печать выходных документов; БЮДЖЕТ - оценка разработанного графика движения поездоЕ.

Система ГРАФИК обеспечивает с применением человеко-машинных методов составление ГДП на основе исходных данных, формируемых в системе БАЗА ДАННЫХ, с использованием информации из системы ЕЗДА и вводимой Еручную. Система ЕЗДА осуществляет в соответствии с действующей на сети ПКП методикой расчет для всех категорий грузовых и пассажирских поездов сокращенного и нормативного времени хода по перегонам. Последнее представляет собой сушу сокращенного времени хода плюс величина технического резерва. Сокращенное время хода поездов по перегонам состоит из так называемого "жесткого" времени хода, которое зависит в основном от тягоеых характеристик локомотива, массы и длины состава поезда, профиля пути и увеличения

Рис.1 Укрупненная блок-схема КСАСГДП

—,--- соответственно прямая и обратная связь

—► - последовательность выполнения расчетов

времени следования в связи с ограничением скорости движения в течение трех и более месяцев.

Технический резерв - это добавки к сокращенному времени хода поезда для ликвидации опозданий, возникающих из-за небольших технико-эксплуатационных сбоев (неправильные действия оперативно-распорядительного персонала, мелкие отказы устройств СЦБ и связи, порчи локомотивов и вагонов, небольшое снижение скоростей движения из-за ограничений, действующих в течение менее трех месяцев и др. Установлено, что технический резерв для поездоЕ наивысшей категории (Евросити, Интерсити, экспрессы, скорые) - принимается около 3...4 мин. на 100 км участка; для остальных поездов (местных, пригородных) вытекает из округления времени хода по перегону до 0,5 мин., а для грузовых - до 1 мин.. При этом 30% времени технических резервов рекомендуется добавлять к технологическим нормам стоянки поездов на крупных технических и узловых станциях, а 70% - распределяется на нескольких последних перегонах в конце участка, по которому следует поезд.

Разработаны метод установления графиковых размеров грузового движения поездов и статистически-технологический подход к выбору точек их отправления со станций, включающий три основных этапа: сначала осуществляется выбор точек отправления исходя из заявок грузоотправителей, затем формирование остальных на основе обработки статистических отчетных данных и, наконец, уточнение точек отправления поездов с учетом взаимодействия составляемого ГДП с технологией работы станций (в системе ЕЗАИМОДЕЙСТЕИЕ).

Разработанные алгоритмы системы ГРАФИК, на осноЕе коте-

рых составлено программное обеспечение, включают следующее модули: интерактивной системы подготовки и ведения исходной информации к разработке ГДП; формирования нормативно-справочной и статистической информации; разработки сетки графика; составления и корректировки ГДП в режиме пониточной прокладки; формирования, корректировки и вычерчивания листов графиков установленной формы; определения показателей ГДП; формирования и печати выходных документов; формирования массивов данных о ГДП.

Алгоритмы обеспечивают составление и корректировку ГДП е режиме пониточной прокладки. Конфликтные ситуации при прокладке поездов разрешаются в диалоговом режиме. При этом возможно осуществить выполнение следующих процедур: веод нового или удаление ранее проложенного расписания поезда; перенос нитки расписания; корректировка отдельной нитки графика с одновременной перекладкой части соседних ниток; проверка соответствия времени ходз проложенного расписания нормативному; соединение ниток расписания с одновременной перенумерацией поезда; прокладка расписания поездов с замедлением или ускорением их следования; отображение и просмотр ниток расписаний; прокладка сквозных расписаний с пропуском через дез или три стыковых пункта; запись графика движения на жестком диске или дискете (формирование архива); формирование дополнительных данных о поездах (периодичность его обращения и др.); получение отображения ГДП на соседних участках. Алгоритмы системы ГРАФИК и их программная реализация также обеспечивают (как непосредственно, так и через систему БАЗА ДАННЫХ) выполнение следующих процедур: формирование или коррек-

тировку листа, перенумерацию поездов, смену типа линий поездов, вычерчивание ГДП, формирование и печать выходных документов и показателей ГДП; составление графика занятия путей по станциям; организация передачи данных о ГДП в систему БАЗА ДАННЫХ; функционирование системы ГРАФИК в локальной вычислительной сети.

Система СОГЛАСОВАНИЕ обеспечивает автоматизацию на основе анализа согласования прибытия и отправления пассажирских поездов (СПОПП) в составленном или разрабатываемом ГДП и выдачу рекомендаций по необходимым коррективам расписания пассажирских поездов по условиям пересадки пассажиров. Система СОГЛАСОВАНИЕ на стадии составления ГДП осуществляет оценку качества составляемого варианта расписания движения пассажирских поездоЕ по одному из 48 возможных программно формируемых значений критерия с точки зрения полученных в нем СПОПП и отбор рациональных случаев согласования. Исходная информация поступает из системы БАЗА ДАННЫХ, а выходная информация передается в систему ГРАФИК.

Автоматическое составление на ПЭЕМ в рамках КСАСГДП графика оборота составов пассажирских поездов в дальнем и местном сообщении обеспечивает разработанная система РАСПИСАНИЕ. Используя метод штрафования вершин, оптимизируется график оборота как групп беспересадочных Еагонов (первый этап решения задачи), так и составов в целом (второй этап) по критерию максимума времени нахождения вагонов зз пределами депо их приписки.

Задача построения графика оборота составов (второй этап) сведена к максимизации функции

Z = i-1 j-l xi¿*cü ' при ограничениях:

A

1 , j-l.n ; (10)

E, xu = 1 , i=l,n ; (11)

J-l

Xij = XZíj , i=l7ñ ; j=í7ñ ; (12)

i=l,n ; (13)

где Cij - весовой коэффициент, характеризующий оценку перехода состава в пункте оборота (приписки) от i-ro к З'-ому поезду,

к i j = 1 - состав назначен обслуживать j-ый поезд после i-ro поезда;

xij = 0 - состав не назначен обслуживать j-ый поезд после i-ro поезда; п - число пассажирских расписаний. Разработан порядок формирования весовых коэффициентов

Ció-

Система РАСПИСАНИЕ позволяет организовать составление на ПЭЕМ оптимального графика оборота соответствующего набора поездов, автоматизировать ведение статистики об использовании пассажирского парка Батонов, печатание и издание книжек и др. Результаты расчетов поступают в систему ГРАФИК по канала,! локальной сети.

Еыбор варианта рационального пропуска грузовых вагонов через сортировочные и маневровые станции на стадии составления ГДП реализуется системой ЕЗАИШДЕЙСТБИЕ на основе разработанной б ЦНТК РП имитационной модели. На основе анализа пла-

на пропуска вагонов по станции технолог подготавливает предложения по изменению разрабатываемого ГДП (сдвижка расписаний, добавление новых или отмена существующих), направленные на снижение времени нахождения вагонов на станции и повышение устойчивости ее работы за счет лучшего согласования расписания прибытия и отправления грузовых поездов.

Автоматизация в рамках создаваемой КСАСГДП составления графика оборота локомотивов и на его основе определения основных его показателей обеспечивает созданная система ОБОРОТ. Оптимизация построения графика оборота локомотивов осуществляется по УОЛ любой конфигурации. Система ОБОРОТ взаимодействует с системой БРИГАДЫ (рис.2), которая обеспечивает составление графика оборота локомотивных бригад по УРЛБ.

Задзча построения оптимального графика оборота локомоти-еов на заданные размеры движения (Ы) сформулирована следующим образом. На УОЛ задан ГДП с указанием времени прибытия (Ьщ) и отправления (^3) по всем станциям оборота и перецепки. Требуется так организовать перецепку локомотивов по станциям и подсылку их резервом, чтобы при соблюдении условия полного ЕЫЕОза поездов, своевременного подвода локомотиеов на техническое обслуживание и построения единого графика их работы обеспечить минимальные затраты на содержание локомотивного парка, связанные с простоями локомотиеов при их перецепке (или минимальные суммарные затраты Бремени нахождения локомотивов в пунктах их перецепки).

Построение оптимального графика оборота локомотиеов для заданного УОЛ может быть сведено к решению задачи о назначениях линейного программирования, в которой минимизируется це-

Рис.S Схема взаимодействия систем ОБОРОТ и БРИГАДЫ

левая функция затрат (простоев)

W = CjjXxj -> MIN (14)

при ограничениях

JjXij-l, 5-T7N (15)

JjXii-1, i=TTN (16)

Xid e { 0,1 У, i,j=TTN (17)

toj ^ tni + txaxij; (18)

Тфк < Тн , k=lTR; (19)

график оборота - единый, (20)

где Сij - стоимость (или простой), или задаваемый Еесовой коэффициент, связанный с перецепкой локомотивов от i-ой на j-ую нитку (элемент матрицы стоимостей или простоев);

Xij - признак перецепки локомотива с i-ой нитки на ]-ув; tTöxij - минимальное (с учетом технического обслуживания) технологическое время, необходимое для перецепки локомотива от i-ой к j-ой нитке; Тфк.Тн - соответственно, фактическое и нормативное значение Бремени периодичности захода к-го маршрута следования локомотива на техническое обслуживание; R - общее число маршрутов следования локомотивов между заходами в локомотивное депо приписки для выполнения операций, связанных с техническим обслуживанием.

Условие (15) означает, что на j-ую нитку поступит только

один локомотив после обслуживания одной какой-либо из N ниток. Здесь нитка - это расписание следования локомотива в пределах участка обращения от прицепки локомотива (зарождения поезда) до его отцепки (погашения поездопотока или прибытия в пункт оборота). Условие (16) означает, что локомотиву, обслуживающему нитку с номером 1, необходимо перецепиться для дальнейшей работы на одну из N ниток. В условии (17) величина X;з=0, если после обслуживания нитки с номером 1 локомотив не перецепляется на ¿-ую, а Х^¿=1, если происходит перецепка ло-комотиез с нитки 1 на з.

Установлена следующая этапность решения задачи: 1) выявление и устранение на станции непарности е прибытии и отправлении поездов; 2) расчет числа локомотивов при минимально допустимом времени их нахождения на станциях; 3) минимизация потребности в локомотивах за счет корректировки исходной информации; 4) ограничение по станциям числа переходов с поезда на поезд; 5) проектирование графиков оборота локомотивов; б) формирование таблиц перехода с одного на другой вариант графика оборота локомотивов. В диссертации рассмотрены три метода построения графика оборота локомотивов: полный перебор; направленный перебор; получение одного варианта, используя принцип: "первый готов - первый отправлен". Метод решения принимается на четвертом этапе.

Проектирование графиков оборота локомотивов (пятый этап) и выбор рационального варианта осуществляется по минимуму стоимости V, определяемой по формуле (14). Набор исходных данных представляется в виде ориентированного сеязного графа 0Л, у которого в качестве множества вершин выступает множест-

- -

во поездов на расчетных УОЛ, а ребер - множество переходов локомотивов с поезда на поезд по станциям перецепки УОЛ. Так как по условию (20) строится единый график оборота локомотивов с целью их равномерного использования в условиях суточной неравномерности размеров движения, то решение задачи сведено к поиску гамильтоноЕа цикла в графе то есть определению

множества переходов с минимальной стоимостью V/ относительно условия: все вершины включены в цепь, причем каждая вершина в точности по одному разу. При решении задачи полным перебором вариантов применен метод перебора Робертса и Флореса, а при направленном - используется алгоритм штрафования вершин. Для нахождения кратчайшего остова графа (Зл применен алгоритм Прима. При направленном переборе возможна ситуация, когда в графе нет гамильтонова цикла. В этом случае для заданных условий составляется не единый график оборота локомотивов, а группоЕой (то есть формируется несколько колец графиков оборота) , что противоречит условию (20). Поэтому делается попытка составить единый график оборота локомотивов за счет поэтапного увеличения числа элементов матрицы стоимостей.

Учитывая разную периодичность обращения пассажирских поездов, составляется три основных варианта графиков оборота локомотиеое: для поездов, курсирующих с понедельника до пятницы; в субботу; в воскресные и праздничные дни. Для стыкования (шестой этап) трех вариантов графика оборота локомотиеое в недельном цикле ПЭВМ формируется шесть таблиц перехода с одного на другой вариант работы локомотивного парка.

Для составления графика оборота кондукторских бригад, на основе которого формируется план их работы на сутки и более

длительный период (то есть система СГОКБ) разработаны ДЕа алгоритма: первый предусматривает полный перебор вариантов с использованием элементов алгебры Булл, второй - целенаправленный перебор, применяя при этом один из четырех критериев по исключению неперспективных вариантов. В первом случае рассчитываются все возможные варианты оборота бригад с определением основных показателей, по которым пользователь выбирает оптимальный, а во втором случае - выдается один вариант, близкий к рациональному. Информация в систему СТОЕК поступает из БАЗЫ ДАННЫХ.

Для расчета показателей ГДП и сравнения разрабатываемых вариантов между собой, а также составляемого с действующим создана система БЮДЖЕТ. К основным показателям оценки относят: участковую и техническую скорости движения, тонно-километровую работу брутто, поездо-километры по категориям поездов с разбиЕкой по участкам, районам, ОД Ь'Л.

Программное обеспечение для КСАСГДП разработано для персональной ЭЕМ типа IEM PC (336 и выше) и совместимых с ней, функционирующей под управлением операционной системы MS-DOS.

В третьей главе изложены результаты исследований по автоматизации планирования работы локомотивных и кондукторских бригад пассажирского движения. При решении поставленной задачи учтены требования: законодательства о труде и отдыхе бригад; составления плана их работы, близкого к оптимальному; необходимости решения задачи за приемлемое время (до 10-15 мин); достижения простоты получения исходной информации; удобства формирования и изменения базы данных. Учитывая, что технология пропуска грузовых поездов на сети ПКП

осуществляется в основном по принципу пассажирских (то есть грузовые поезда отправляются по точкам расписания без фиксированной массы и длины составов), то организация планирования работы локомотивных бригад практически одинакова для всех видов движения (грузового, пассажирского, пригородного). Принцип планирования работы локомотивных бригзд применим и к кондукторским, так как их организация работы идентична. Это явилось основанием для создания универсальной методики, применяемой для планирования работы бригад как локомотивных, так и кондукторских для всех видов движения (с небольшими специфи- --ческими изменениями и дополнениями).

В осногу планирования положен принцип формирования эксплуатационных оборотов бригад. Эксплуатационный оборот бригады - это часть ее полного оборота (то есть время полного оборота за исключением домашнего отдыха в пункте приписки), характеризующая время, затраченное бригадой на поездку с включением времени отдыха в пункте оборота и возможных перерывов в работе (так называемых дежурств). Набор эксплуатационных оборотов бригад, необходимых для обслуживания всех поездов за сутки представляет собой суточный план работы.

Задача составления рационального плана работы локомотивных бригад в общем виде сформулирована следующим образом.

Имеется пункт приписки локомотивных бригад Б, обслуживающий один или несколько участков их работы с оборотом в пунктах ; заданы размеры движения по участкам работы локомотивных бригад Ъх> категория участка (работа бригад с отдыхом в пункте оборота или без предоставления отдыха), система езды (сменная, прикрепленная), схема работы бригад (плечевая, пет-

левая, круговая и др.), вид движения (грузовое, пассажирское, пригородное), кратность тяги, принцип обслуживания бригадами видов движения (раздельное, смешанное) и категории поездов. Требуется выбрать такой вариант плана работы локомотивных бригад, при котором достигается выполнение всех требований действующего на ПКП законодательства о труде и отдыхе бригад, и ограничений к нему, учет местных особенностей работы участка при условии наилучшего обеспечения поездов локомотивными бригадами.

В качестве основного критерия оценки плана работы бригад принят минимум суммы времени нахождения бригад в пункте их оборота.

Процесс составления плана работы локомотивных бригад сведен к решению трех основных задач: первой - построение оптимальных эксплуатационных оборотов локомотивных бригад и на их основе формирование суточных планов; второй - составление месячного (квартального) графика работы локомотивных бригад; третьей - формирование индивидуальных месячных (квартальных) планов работы машинистов и их помощников.

Для решения первой задачи создана математическая модель, сущность которой видна из рис.3. При этом:

где А,В,С - пункты оборота локомотивных бригад.

Для каждой станции оборота строится двудольный граф 6'-(И1,и2,и), е котором роль вершин играют Бремена прибытия поездоЕ на данную станцию (Пх), роль вершин - времена

|г(А)| + |г(в)| + |г(с)| = г А,В,С 6 Б;

(21) (22)

Рис.3. Митсматпче.'ска)! модель формирования эксплуатационных иборотои локомотиимых бригад, прииш-'аииых к станции

отправления поездов с этой станции (0^), а смежность вершины П3 V?! с вершиной О, означает наличие допустимой последовательности поездов е рассматриваемом плане, определяемой трехместным предикатом (упорядоченной тройкой элементов №1,и,, находящихся в отношении И):

где - бинарная матрица оценки допустимости "перехода" бригады с ¿-га на 3-й поезд в рассматриваемом пункте оборота.

Для каждого графз в' решается задача о назначениях: минимизировать

где: ^ - время нахождения бригады в рассматриваемом пункте оборота от прибытия с ].-ым поездом, до отправления с з-ым;

Х1з - переменная, принимающая значение "1", если осуществляется "переход" с 1-го поезда на з'-й и "О" в противном случае;

I- - количество отправляемых с рассматриваемой станции поездов;

Ъ - количество прибывающих на рассматриваемую станцию поездоЕ.

Граф 0' является подграфом упорядоченного графа 6=-Ш,и,И-, где № - множество вершин графа, которое соответствует множеству обслуживаемых поездов в рассматриваемом плане; I) -множество ребер графа, определяющее множество допустимых "переходов" бригад с одного обслуживаемого поезда на другой; Н -

^(Иьи.Иг),

(23)

¿-11-1

(24)

функция, определяющая допустимость последовательности поездов в рассматриваемом плане (1 - допустимая последовательность, О - недопустимая последовательность). Формируя матричное отображение графа, К! принимает вид бинарной матрицы связанности множества вершин V/. В рассматриваемом случае граф в является ориентированным графом, формирование которого осуществляется путем выборки из памяти ПЗЕМ множества данных для определения плана. Из множества графиков эксплуатационных оборотов бригад, находящихся в графе й, производится выбор эффективного суточного плана с учетом указанных ограничений. Необходимым условием составления суточного плана является обслуживание всех поездов, исключая при этом обслуживание одновременно двух поездов одной бригадой. Поэтому при построении графа 8 использованы основные правила алгебры Буля.

Методикой предусматривается составление суточного плана работ локомотивных бригад: одного (исходя из принципа: "первая бригада готова - первая отправляется"), ограниченного числа вариантов (то есть методом направленного перебора), всех возможных (то есть методом полного перебора). В последних двух случаях в качестве рационального принимается вариант суточного плана по усмотрению пользователя.

Составление месячного (квартального) графика работы ло-комотиеных бригад (вторая задача) осуществляется путем формирования в диалоговом режиме полных оборотов локомотивных бригад, исходя из полученных оптимальных суточных планов и требований трудового законодательства, а также учета календаря предстоящего месяца, месячной нормы выработки, периодов технологических перерывов в работе бригад за расчетный период

(отпуска и др.)| дополнительных выходных и др..

Формирование индивидуальных месячных (квартальных) планов работы машинистов и их помощников (третья задача) также ведется в диалоговом режиме на основе месячного (квартального) графика работы локомотивных бригад с учетом использования вводимой дополнительно информации: в текущем (предплановом) месяце - данных о фактической выработке и числе ночных поездок; в планируемом - индивидуальных норм (заданий) выработки часов, периодов ухода (выхода) бригады в отпуск, отвлечений на другой вид работы и т.д. Составляются именные графики работы бригад с выдачей каждой из них календаря месячного плана работы.

План обслуживания составляется в основном для поездов, обращающихся в рабочие дни, то есть постоянного обращения. Предложен метод дополнения плана работы бригад поездами, обращающимися в отдельные дни недели.

Разработаны требования к информационному, программному и техническому обеспечению с учетом решения задач системы БРИГАДЫ во взаимодействии с системой БАЗА ДАННЫХ; алгоритмы решения задач, на основе которых подготовлен программный продукт. Исследованы особенности решения задачи составления графиков оборота кондукторских бригад в сравнении с формированием их для локомотивных бригад.

В четвертой главе излагаются результаты исследований по разработке модели базы данных КСАСГДП на основе создания локальных вычислительных сетей. Система БАЗА ДАННЫХ включает дез основных массива информации: для составления ГДП (БДИИ) и о составленном графике (БДИТ). Источником

формирования массива БДИИ являются действующие на сети ПКП классификаторы. Однако отдельные данные о диспетчерских участках вводятся вручную. Массив БДИИ включает данные, необходимые для составления ГДП (техническая оснащенность и характеристики перегонов и РП; схемы подходов к станциям и др.. Массив БДИГ формируется на основе генерируемых в системе ГРАФИК данных о следовании поездов по КУ. Е целях исключения возникновения возможных ошибок реализован двухуровневый подход к формированию структуры данных о каждом поезде по КУ. Первый уровень - это совокупность данных в виде карт описания поездов по КУ. Осуществление этой процедуры обеспечивает создание рабочей базы данных по КУ, которая подлежит проверке и исправлению. На ее основе базируется второй уровень - совокупность данных в виде карт описания готовых поездов с указанием маршрутов их следования, формируемых по специальному алгоритму. Сначала предусматривается накопление данных о поездах е границах лишь ОД КП, затем на центральном уровне формируется информация в виде карт описания готовых поездов, следующих е границах нескольких ОД КП с указанием для международных поездов пограничных стыковых пунктов.

Предусматривается полная архивация данных о ГДП и обеспечение свободного доступа пользователей любой ОД КП к информации соседних (других) подразделений. Формируется центральная база данных о графике движения (на уровне всей сети и дублирующая - в ЦНТК) и локальная (на уровне ОД КП). Из системы БАЗА ДАННЫХ пользователи могут получить информацию о ГДП в любом виде (на печать, отображение в виде таблиц, графиков и т.д.) как для отдельных расписаний, так и в целом по группе

поездов. Специально для коммерческих пассажирских бюро разработан программный модуль ЗАПРОС, обеспечивающий получение из системы БАЗА ДАННЫХ необходимой информации о ГДП, а также передачу обратно рекомендации и пожеланий пассажиров по изменению маршрутов следования поездов и др..

Пятая глава посЕящена изложению вопросов изменения технологии комплексного составления ГДП на сети ПКП в условиях автоматизации, а также этапности внедрения и эффективности функционирования КСАСГДП. В диссертации показано, что внедрение КСАСГДП обеспечивает получение доходов в размере 1,0 млрд. злотых при значительном сокращении ( на 25 7. ) эксплуатационных издержек за счет повышения качества обслуживания клиентуры и использования подвижного состава при значительном улучшении труда и отдыха локомотивных бригад. В диссертации покззано, что КСАСГДП обеспечивает для сети ПКП ускорение оборота вагонов на 3...57», повышение производительности локомотивов на 6...8%, труда локомотивных бригад - на 7...97. при значительном улучшении условий их работы и отдыха и снижение в 2...3 раз трудозатрат на составление ГДП. Излагается опыт внедрения отдельных задач КСАСГДП, показаны выявленные при их эксплуатации недостатки и пути устранения, а также совершенствования данной системы. Ноезя технология составления ГДП практически исключает необходимость проведения съездов графистов, рутинную работу инженеров-технологов с карандашом и бумагой, позволяет обеспечить в целом для сети ПКП централизованную разработку ГДП ео взаимоуЕЯЗке с технологией работы всех ОД КП с учетом особенностей каждой из них.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В заключении диссертации сформулированы научные результаты выполненного исследования, предложения о практическом использовании полученных в работе выводов и направления дальнейшего исследования проблемы теории построения графика движения поездов и его автоматизации, как сложной динамичной транспортной системы.

Основные научные результаты и их практическое значение заключаются в следующем.

Технологически сформулирован и выражен в математической форме ноеый метод комплексного автоматизированного составления в целом для сети ПКП на ПЗЕМ графиков движения поездов с учетом влияния основных факторов, в том числе особенности организации пропуска грузового поездопотока на направлениях, возможностей создания локальных вычислительных сетей и др.. Е результате комплексная задача автоматизации составления на ПЭЕМ графика движения поездов отнесена к классу задач оптимизации с многими переменными, для решения которой применен метод, использующий эвристические соображения для представления ее в виде определенной последовательности девяти основных частных задач (подзадач), которые в целом представляют комплексную систему автоматизированного составления графика движения поездов (КСАСГДП). Установлены ступени иерархии решения комплексной задачи составления графика движения поездов. Основным методом исследования поставленных вопросов является метод технико-экономических сопоставлений вариантов и выбор на этой основе оптимальных параметров графика движения поез-

дов при широком использовании человеко-машинных методов. Создана принципиально новая методика расчета перегонных времен хода поездов. Модель предусматривает расчет как сокращенного, так и нормативного времени хода поездов по перегонам. Последнее представляет собой сумму сокращенного времени хода и величины технического резерва. Разработана методика расчета указанного резерва и его распределения на диспетчерском участке.

На основе подготовленных алгоритмов разработаны в системе ГРАФИК программные модули интерактивного составления на ПЭЕМ графика движения поездоЕ в режиме пониточной прокладки расписаний с учетом оптимального согласования прибытия и отправления пассажирских поездов е узлах, а также обеспечения рационального взаимодействия ГДП с технологией работы сортировочных и маневровых станций.

Разработана с использованием метода штрафования вершин математическая модель оптимизации составления графика оборота составов пассажирских поездов дальнего и местного сообщения, которая положена в основу функционирования системы РАСПИСАНИЕ.

Уточнены методы и составлены алгоритмы, а также программное обеспечение по рационализации графиков оборота локомотивов (система ОБОРОТ); локомотиеных бригад (система БРИГАДЫ) и кондукторских бригад (система СГОКБ).

Создана математическая модель составления плана работы локомотиеных бригад, которая положена в основу системы БРИГАДЫ. Данная задача отнесена к задаче о назначениях, которая решена с использованием бинарных матриц оценки допустимости

"перехода" бригады с поезда на поезд и правил алгебры Буля.

Предложены методы по автоматизации формирования, вычерчивания и печатания выходной информации о графике движения поездов (система ФПЕД), а также расчета его показателей (система БЮДЖЕТ).

Сформулированы и обоснованы принципиальные дополнения к формированию базы данных о графике движения поездов и созданию локальных вычислительных сетей.

Разработана технология составления графика движения поездов в условиях автоматизации на базе использования локальных вычислительных сетей на всех уровнях управления перевозками. Показано, что разработанная человеко-машинная система в режиме диалога обеспечивает согласование исходных параметров, а также в целом для сети ПКП - централизованную разработку ГДП во взаимосвязи с технологией работы всех ОД КП и каждой из них.

Установлено, что КСАСГДП обеспечивает для сети ПКП ускорение оборота вагонов на 3...5%, повышение производительности локомотивов на 6... 8%, труда локомотивных бригад - на 7..., при значительном улучшении условий их работы и отдыха и снижении в 2...3 раз трудозатрат на составление графика движения поездов.

Исследованные в работе вопросы не исчерпывают задачу совершенствования построения и автоматизации составления графиков движения поездов. Требуют исследования задачи: автоматизация разрешения конфликтных ситуаций на ГДП, особенно для однопутных линий и др..

Основные положения диссертации опубликованы в следующих изданиях:

1. X. Кур Комплексная система автоматизированного составления графика движения поездов // Вестник ВНИИЖТ, 1995, N 3 - с.40...44.

2. X. Кур Автоматизация планирования работы локомотиеных бригад пассажирского движения // Еестник ВНИИЖТ, 1995, N 5 -с.36...39.

3. H. Kur , A. Zurkowski, A. Powala Zastosowanie inf'or-matyki do planowania pracy druzyn konduktorskich. Eksploatacja Kolei N 6. 1935 r.str. 1-7

4. H. Kur , A. Powala , A. Zurkowski Automatyzacja opra-cowywania planow obiegu skladow pasazerskich. Prace CHTK. Ze-szyt 98 . 1990 r.str 19-26

5. H. Kur Prezentacja prac w zakresie komputerowego op-racowywania rozkladu jazdy pociagow na PKP na Europejskiej Konf'erencji Rozkladow Jazdy Ruchu Pasazerskiego ( EFK / GEH ) w 1994 r. Prace CNTK . Zeszyt 112 . 1995 r.str. 45

6. H. Kur Doskonalenie organizacji uzytkowania oraz sprawozdawczosci z pracy lokomotyw pociagowych w ruchu towaro-wym . Prace COBiRTK. Zeszyt 86 . 1933 r.str 15-21

7. H. Kur , К. Kozuchowski Gra kierownicza " ZAMKNIECIA TOROW". Prace COEiRTK . Zeszyt 83. 1985 r.str. 15-21

8. H. Kur , A. Powala , A. Zurkowski Komputerowe wspo-maganie organizacj i procesow przewozowych. Prace COBiRTK. Zeszyt 91/92 . 1986 r. str. 81-87.

9. H. Kur Automatyzacja planowania pracy pojazdow i druzyn trakcyjnych . Prace CNTK . Zeszyt 106. 1993 r. str. 42.

10. H. Kur , J. Polinski Transport kolejowy na wschodniej gran icy RP i perspektywy rozwoju . Prace CNTK. Zeszyt 120. 1997 r. str. 15-22.

11. H. Kur Materialy prezentowane na Konf'erencji wnios-kowej rozkladow jazdy pociagow. Firlej. wrzesien 1993 r.7 str.