автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Метод адаптации плана формирования поездов к суточной неравномерности вагонопотоков

На правах рукописи

БАДЕЦКИЙ АЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ

МЕТОД АДАПТАЦИИ ПЛАНА ФОРМИРОВАНИЯ ПОЕЗДОВ К СУТОЧНОЙ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ВАГОНОПОТОКОВ

Специальность 05.22.08 - Управление процессами перевозок

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

28 НОЯ 2013

005540715

Санкт-Петербург 2013

005540715

Диссертация выполнена на кафедре «Управление эксплуатационной работой» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ПГУПС)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Кудрявцев Владимир Александрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт проблем транспорта им. Н. С. Соломенко Российской Академии Наук»

Защита диссертации состоится «19» декабря 2013 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 218.008.02 на базе Петербургского государственного университета путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д.9, ауд. 7-320.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «19» ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах просим направлять в адрес ученого совета университета.

Ученый секретарь

Бородин Андрей Федорович

руководитель научно-технического комплекса по

управлению перевозками научно-

исследовательского и проектно-конструкторского института информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте (ОАО «НИИАС»)

кандидат технических наук, доцент Костенко Владимир Васильевич доцент кафедры «Железнодорожные станции и узлы» ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения»

диссертационного совета кандидат технических наук

Горбачев Алексей Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В теории эксплуатации железных дорог одно из центральных мест занимает проблема организации вагонопотоков в поезда и ее конкретное выражение — план формирования поездов. Именно в нем устанавливают наиболее рациональный порядок следования вагонопотоков по направлениям железнодорожной сети для обеспечения устойчивого положения ОАО «РЖД» на рынке конкурентных транспортных услуг.

Существенное влияние на соответствие плана формирования поездов реальным условиям работы железных дорог оказывает объективно существующая неравномерность вагонопотоков. Неравномерность вагонопотоков, как правило, учитывается путем использования коэффициентов неравномерности, условно увеличивающих объем работы, что при спаде потока и неизменной технологии приводит к снижению эффективности перевозочного процесса. Расчетные параметры плана формирования поездов определяются на основе средних значений, не в полной мере характеризующих реальный характер поездообразования. Поэтому организация вагонопотоков представляется детерминированной системой, и переход от одного состояния системы к другому при изменении расчетных параметров осуществляется посредством плановых и оперативных корректировок плана формирования. Тем не менее, признается сильное влияние неравномерности вагонопотоков на основные расчетные параметры плана формирования поездов - затраты на накопление составов и экономии от проследования вагонами технических станций без переработки.

В настоящее время в «Едином сетевом технологическом процессе» (далее — ЕСТП) предусматривается переход от сложившейся системы организации вагонопотоков к ежемесячной разработке адаптивного плана формирования поездов на основе имеющейся грузовой базы. В качестве расчетных используются средние месячные значения, путем изменения которых план формирования поездов адаптируется к изменениям объемов работы. Использование средних значений нормативов плана формирования поездов в процессе его расчета является существенным упрощением реальной задачи организации вагонопотоков, поскольку любое изменение набора входных данных может повлечь за собой существенную перестройку существующего плана формирования. Неравномерность вагонопотоков, и переменный характер расчетных

параметров плана формирования должны учитываться заранее в процессе расчета.

Таким образом, существует необходимость в разработке метода адаптации плана формирования поездов к суточной неравномерности вагонопотоков и изменениям расчетных параметров, что позволит оценивать границы неравномерности вагонопотоков и находить рациональные варианты корректировок плана формирования уже на этапе расчета. Кроме того, в течение месяца необходим непрерывный контроль за изменением динамики колебаний вагонопотоков с целью перехода на найденный вариант корректировки назначений.

Целью исследования является разработка метода адаптации плана формирования поездов к суточным колебаниям вагонопотоков. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

— провести анализ колебаний вагонопотоков отдельных назначений плана формирования поездов методами математической статистики и выбрать наиболее подходящий математический аппарат для их описания.

- разработать метод отражения переменного характера вагонопотоков и технико-экономических нормативов плана формирования поездов при его расчете и нахождения наиболее возможных вариантов плана формирования на расчетный период.

- разработать систему принятия решений на основе прогноза посуточных значений вагонопотоков для корректировок плана формирования поездов для оперативных работников, ответственных за выполнение плана формирования поездов.

— определить технико-экономическую эффективность от реализации предлагаемого метода.

Объектом исследования является система организации вагонопотоков в условиях их неравномерности.

Предметом исследования являются основные расчетные нормативы плана формирования поездов — значения вагонопотоков, затраты на накопление составов поездов и экономия от проследования вагонами технической станции без переработки.

В основу исследования положены методы математической статистики, теории вероятностей, теории нечетких множеств, нечеткой логики, искусственных нейронных сетей.

Научная новизна диссертации. Предложен новый подход к определению расчетных значений вагонопотоков плана формирования

поездов. Разработан метод отражения неравномерности основных нормативов плана формирования поездов при его расчете. Спроектирована система принятия решений на основе прогноза для корректировки назначений плана формирования.

Практическая значимость диссертации. Предлагаемый метод позволит на практике повысить качество управления вагонопотоками и осуществить переход от управления вагонопотоками «по факту» к управлению «упреждающему», включающему в себя предвидение ситуации и выработку управляющих решений заранее.

Реализация диссертационного исследования. Результаты исследований используются в лекционном курсе «Управление эксплуатационной работой и качеством перевозок» для специальности 190701 «Организация перевозок и управление на транспорте (железнодорожном)». Отдельные положения разработанной в диссертации СПР использованы в НИР «Модель поддержки принятия решений поездного диспетчера при организации движения поездов» в рамках гранта ПГУПС для научно-исследовательских студенческих коллективов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях ПГУПС «Шаг в будущее», «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы» (Санкт-Петербург, 2009, 2013 гг.), первой и третьей научно-технических конференциях «Интеллектуальные системы на транспорте» (Санкт-Петербург, 2011, 2013 гг.), международной научно-технической конференции «Транспорт России: проблемы и перспективы» (Санкт-Петербург, 2013 г.), а также на научно-технических семинарах кафедры «Управление эксплуатационной работой» ПГУПС в 2009-2013 гг.

Публикации, объем и структура диссертации. По теме диссертации опубликовано 7 работ; из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, - 3. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников из 125 наименований и 3 приложений. Содержит 141 страницу машинописного текста, включая 55 рисунков, 15 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе проведен обзор состояния вопроса организации вагонопотоков в современных условиях, проведен анализ методов расчета

плана формирования поездов с точки зрения учета неравномерности вагонопотоков. Проанализирован теоретический и практический опыт определения расчетных нормативов плана формирования поездов. На основании проведенного анализа были сформулированы задачи, подлежащие решению в диссертации.

Значительный вклад в решение задачи рациональной организации вагонопотоков внесли крупные советские и российские ученые A.A. Аветикян, В.М. Акулиничев, А.П. Батурин, К.А. Бернгард, А.Ф. Бородин, И.И. Васильев, П.Я. Гордеенко, C.B. Дувалян, В.И. Ковалев, В.А. Кудрявцев, А.Т. Осьминин, И.И. Осьминина, А.П. Петров, А.И. Попов, А.К. Угрюмов и другие.

Неравномерность эксплуатационной работы железных дорог является объективным фактом, что подтверждается исследованиями многих специалистов и ученых. При этом признается, что расчетные нормативы плана формирования поездов при рассмотрении назначений плана формирования отдельно также являются переменными величинами и связаны с колебаниями вагонопотока этого назначения.

В результате анализа методов расчета плана формирования установлено, что в классических методах не принимался во внимание переменный характер величины вагонопотоков и зависящих от них расчетных нормативов. В современных методах переменный характер расчетных параметров учитывается на основе среднесуточных значений за месяц. При этом не принимается во внимание то, что посуточные колебания вагонопотоков могут привести к корректировке плана формирования внутри месяца. Тем не менее такие корректировки имеют место в результате резких изменений вагонопотока.

Согласно ЕСТП, в современных условиях план формирования поездов должна характеризовать адаптивность. Но предложенный в ЕСТП подход не гарантирует адаптивности плана формирования в течение месячного периода, поэтому адаптация плана формирования колебаниям вагонопотоков должна производиться на основе учета переменного характера всех участвующих в расчете нормативов, и должна гарантировать соответствие разработанного плана формирования поездов фактическим колебаниям вагонопотоков.

Во второй главе проведен анализ суточных колебаний вагонопотоков отдельных назначений плана формирования поездов по станции Санкт-Петербург-Сортировочный-Московский, на его основе

разработана классификация колебаний вагонопотоков в зависимости от их влияния на структуру плана формирования поездов, а также определен математический аппарат для описания неравномерности вагонопотоков.

Установлено, что из 36 рассмотренных назначений только 9 подчиняются нормальному закону распределения. При этом выявлены назначения, подчиняющиеся гамма и логарифмически нормальному законам распределения. Для 15 из рассмотренных 36 назначений закон распределения случайной величины подобрать не удалось.

Разработанная классификация колебаний вагонопотоков в зависимости от их влияния на структуру плана формирования поездов приведена на рис. 1.

Рис.1. Классификация колебаний вагонопотоков в зависимости от их влияния на структуру плана формирования поездов

На основании дополненного автором исследования Л. Б. Немцова по сравнению возможностей математических теорий, предназначенных для формализации неопределенности, для описания колебаний вагонопотоков был выбран математический аппарат теории нечетких множеств.

В третьей главе разработан метод отражения переменного характера расчетных параметров плана формирования поездов, состоящий из нескольких последовательных шагов:

1. Определение границ неравномерности расчетных вагонопотоков. Для определения границ неравномерности вагонопотоков на расчетный период строится нечеткого треугольного числа, характеризующего колебания вагонопотоков, по статистическим данным за прошлый период по формуле:

О ,и<щ (

,И[ <и<и.

2

Мл(»)

(1)

О, и > и,

где и/ — левая граница нечеткого множества (соответствует минимальному вагонопотоку); т — правая граница нечеткого множества (максимальный вагонопоток); ш — центр нечеткого множества (совпадает со средним значением вагонопотока), и — произвольное значение рассматриваемого вагонопотока. Значения ии и из находятся следующим образом:

где Umax - максимальный вагонопоток рассматриваемого периода; итт — минимальный вагонопоток рассматриваемого периода; р(й), р(и„шх), p(umin) - вероятности попадания вагонопотока в интервалы, содержащие среднее, максимальное и минимальное значения вагонопотока соответственно (рис. 2).

и.

р(й)~ р(и11йп)

(2)

р(и)-и

шах

р(й)-р(итя_х)

(3)

ha(u)

1

0,S'

О UlUmin U2 UmaxU3

Рис. 2. Нечеткое треугольное число, характеризующее колебания вагонопотока отдельного назначения ПФП

На предстоящий период построенное нечеткое треугольное число можно привести в соответствие с ожидаемыми заявками на перевозку

грузов (в случае увеличения или уменьшения объемов перевозок), с помощью операции расширения:

"0,0 <и<и,

мА{и„р) =

1

1 +

и*

иначе

(4)

где и„/ — прогнозный расчетный вагонопоток.

Как можно увидеть, при увеличении прогнозного вагонопотока относительно прошлого периода нечеткое число расширяется, а при уменьшении - сжимается (рис.3).

0,5

О

• ЦлОО

Ч иГ„р1<Ц'„р2< lfr.pl

\л\ /// иР"р2

\\Х/ аР"р1

Рис.3. Расширение нечеткого числа в соответствии с объемом или спадом

перевозок

На этапах квартального и месячного планирования перевозок грузов необходимо уточнение размеров колебаний вагонопотоков внутри каждого периода. Для подобного уточнения предлагается использовать декомпозицию нечеткого множества, отражающего годовую неравномерность вагонопотока, по а-уровням. Выбор а-уровня можно производить на основе максимального и минимального прогнозируемого месячного вагонопотока с учетом процента выполнения принятых к исполнению заявок на перевозку:

., год ..нес

(5)

■г-и*

И«,. «2}

(б) (7)

где Ъ — процент выполнения заявок.

Максимальный и минимальный планируемые вагонопотоки можно вычислить на основе полученных из системы ЭТРАН данных. Процент выполнения заявок также можно вычислить на основе статистических исследований прошлых периодов.

В результате декомпозиции исходного нечеткого множества, характеризующего неравномерность вагонопотоков в течение года, будет получен интервал [щ"\ отражающий, соответственно, минимально и максимально возможные вагонопотоки в рассматриваемый период (рис.4)

.мл(и>

И™ и

Рис.4, а-уровневое множество, характеризующее границы неравномерности в расчетный период

Границы множества а-уровня иа, характеризующего

неравномерность вагонопотоков в рассматриваемый период, находятся следующим образом:

и" =а(иг-щ)+щ (8)

и"=щ-а{щ-иг) (9)

2. Выражение расчетных нормативов плана формирования поездов нечеткими числами. На основании отношений, приведенных в Инструктивных указаниях по организации вагонопотоков на железных дорогах ОАО «РЖД», предложено определять изменения параметра накопления составов поездов отдельных назначений плана формирования и экономии от проследования вагонами технической станции без переработки, учитывая их нелинейную зависимость от вагонопотока. Используя результаты теоремы о нечеткой аппроксимации-и дальнейшие следствия из нее, расчетные нормативы можно выразить следующим образом: при наличии нечеткого числа и = (ш, иг, из), характеризующего

8

колебания вагонопотока отдельного назначения плана формирования, найденные соответствующие им значения ст, ранжируются по возрастанию (рис.5). Аналогичным образом определяется ТЭк (рис.6).

Рис.5. Определение диапазона изменений ст в зависимости от колебаний вагонопотока назначения

Рис.6. Определение диапазона изменений Т™ в зависимости от изменения

объемов переработки

3. Определение пороговой мощности вагонопотока. оптимальной в условиях неравномерности. После определения диапазона изменения расчетных параметров общее достаточное (ОДУ) и необходимое (НУ) условия для выделения струи вагонопотока в назначение плана формирования примут вид:

В результате проверки по НУ или ОДУ с учетом колебаний вагонопотоков и соответствующих им расчетных нормативов, струи разделяются на четыре категории:

1. Струя вагонопотока безусловно удовлетворяет условию выделения - струя, минимальный вагонопоток которой с учетом переменного характера расчетных нормативов достаточно велик, чтобы обеспечить выделение ее в назначение плана формирования;

2. Струя вагонопотока безусловно не удовлетворяет условию выделения - струя, максимальный вагонопоток которой с учетом переменного характера расчетных нормативов слишком мал, чтобы обеспечить выделение струи в назначение плана формирования;

3. Струя вагонопотока частично удовлетворяет условию выделения — струя, средний вагонопоток которой не обеспечивает выделения ее в назначение плана формирования, но максимальный вагонопоток удовлетворяет условиям выделения;

4. Струя вагонопотока частично не удовлетворяет условию выделения — струя, средний вагонопоток которой обеспечивает выделение ее в назначение плана формирования, но минимальный вагонопоток не удовлетворяет условиям выделения.

Струи первых двух категорий составляют основу оптимального плана формирования и относятся к не влияющим на структуру плана формирования (рис.1), тогда как струи третьей и четвертой категорий составляют основу вариантных планов формирования и относятся к влияющим на структуру плана формирования. При этом для них возникает проблема адекватной интерпретации полученных результатов — в частности, при каком значении вагонопотока рекомендуется выделять назначение плана формирования, или наоборот, отменять. В этой ситуации необходимо обратиться к понятию пороговой мощности вагонопотока на направлении, которая определяется как итр = ст/Тж. В условиях переменного характера расчетных параметров плана формирования поездов задачу нахождения порогового значения вагонопотока и„„,„.,юГ можно идентифицировать как задачу принятия решения в нечетких условиях, которую можно решить в соответствии с принципом Беллмана-Заде.

Согласно этому принципу, нечеткое решение £> является пересечением нечетких целей С и ограничений б. Для решаемой в задаче диссертации нечеткие цели были сформулированы следующим образом:

«Чтобы выделиться в назначение плана формирования, колебания вагонопотока и должны превысить пороговое значение иПоРУ> либо «Чтобы отменить назначение плана формирования, колебания вагонопотока II должны быть ниже {Лор» в зависимости от того, частично удовлетворяет или не удовлетворяет струя вагонопотока условиям выделения. Нечеткие ограничения - «Колебания вагонопотока, выделяемого в назначение плана формирования, находятся в пределах от и пор до !(„,„<» или «Колебания вагонопотока отменяемого назначения находятся в пределах от иты до ипору>. Графическая интерпретация нечеткого решения для примера частично удовлетворяющей условиям выделения струи вагонопотока представлена на рис. 7.

Рис.7. Графическая интерпретация нечеткого решения для примера частично удовлетворяющей условиям выделения струи вагонопотока

Заштрихованная область соответствует нечеткому решению D о выделении рассматриваемой струи вагонопотока в назначение плана формирования. Пусть К - множество альтернатив в D, где функция fid достигает своего максимума. Тогда оптимальное пороговое значение вагонопотока в условиях неравномерности определяется условием (12):

fmaхи.(и),и є К

, J; (i2>

4. Подготовка данных для расчета плана Формирования. Пороговое значение вагонопотока позволяет определить, каким образом струи

третьей и четвертой категорий влияют на структуру плана формирования. Поскольку и0пт.поР делит нечеткое множество и на два подмножества исходного множества суточных колебаний вагонопотоков - множество значений больше порогового £Г и множество значений меньше порогового 11". Для использования в расчете «четких» значений находится репрезентативные числа этих множеств:

(3-К + и3)

4 (14)

(и1+2-и2+К)

4 (15)

Таким образом для каждого неустойчивого назначения вагонопотока получены два значения, каждое из которых характеризует одно из его устойчивых состояний - одно для случая выделения струи в назначение плана формирования, и второе - для случая отмены назначения плана формирования. Расчет плана формирования необходимо в этом случае провести дважды - по одному варианту для каждого «состояния» назначения. В результате будут получены два варианта плана формирования поездов, возможных в условиях неравномерности его расчетных нормативов.

В четвертой главе была разработана система принятия решений о корректировке отдельных назначений плана формирования в течение месячного периода на основе прогноза колебаний вагонопотоков и проверена работоспособность предлагаемых теоретических решений. В качестве прогнозной составляющей использовалась искусственная нейронная сеть (ИНС), автоматически сгенерированная на основании обучающей выборки в системе инженерных расчетов Ма^аЬ. Сама система принятия решений (далее - СПР) строилась в той же системе.

На основании анализа работы инженеров по плану формирования установлено, что в своей работе при принятии решений о корректировке назначения они пользуются правилами, основанными на общем достаточном условии о выделении струи вагонопотока в назначение плана формирования. В качестве первой входной переменной использовалось отношение фактического вагонопотока рассматриваемого назначения к и0пт.поР. В качестве второй переменной - динамика колебаний вагонопотока рассматриваемого назначения. Выходной переменной является само

решение о корректировке назначения. Эвристические правила для СПР сформулированы на основе ОДУ.

633 ж 656 2,75 639 2,42 570 2,51

97

2/5+97

59 ► 292

176

т 176 46

27+176+97$ 16 72+46 г

606 604 617 654 652

664 635 647 566

а)

В

в)

Д А

ст 604

605 604 617 653 602

664 635 647 566

Ж 2,75 2,42 2,51

85

188+Н5

282

149

Ш1Ы ( 64

27+64+85у 19 72+64 „

349 2,75 2.42 2,51

85 N / ,

333+85

¡2-► 432

318

Ш-► 64

27+64+85 72+64 „

Д А <«

ст 602

605 602 617 653 602

664 635 647 566

б)

217 2,75 2,42 2,51

108

216+108

59+7/7 , 288+217

176

31)+176 64

27+64+176^ 72+ 64 „

Рис. 8. Варианты плана формирования поездов в рассматриваемый период (а - рассчитанный по средним значениям, б-г - с учетом неравномерности

вагонопотоков).

Для проверки эффективности предлагаемого метода было произведено сравнение результатов, полученных в результате применения

13

разработанного метода с результатом, полученным по средним значениям. Для расчета был выбран линейный полигон из пяти станций и реальные значения вагонопотоков за последние два месяца исследованной статистической выборки. При расчете по средним значениям был получен один вариант плана формирования поездов на рассматриваемый период, по предлагаемому методу — три (рис. 8).

Получившаяся в результате работы СПР по корректировке отдельных назначений плана формирования поездов экономия вагоно-часов представлена в таблице 1.

Таблица 1. Экономия от адаптации назначений плана формирования поездов к суточным колебаниям вагонопотоков по сравнению с полученной в результате расчета плана формирования по средним значениям

Период Фактическая экономия вагоно-часов струи Б-Г Разница в-ч Фактическая экономия вагоно-часов струи А-Д Разница в-ч

Адаптивное управление Управление по средним значениям Адаптивное управление Управление по средним значениям

1 80,5 -80,5 161 -229,74 -229,74 0

2 1711,5 -1711,5 3423 776.66 -776.66 1553,32

3 966 -966 1932 348,64 348,64 0

4 1400 -1400 2800 392,2 392,2 0

5 476 476 0 466,9 -466,9 933,8

6 640,5 640,5 0 9,84 9,84 0

7 311.5 311,5 0 532,56 532,56 0

8 7 7 0 133,26 133,26 0

9 1319,5 1319,5 0 80,02 80,02 0

10 1760,5 1760,5 0 772,14 772,14 0

11 1585,5 1585,5 0 -203,12 -203,12 0

12 1386 1386 0 -178,92 -178,92 0

Итого 11644,5 3328,5 8316 2900.44 413,32 2487,12

Общая экономия в-ч 10803,12

На примере первого пятидневного периода из таблицы видно, что в результате положительных колебаний струи Б-Г необходимо было выделить ее в назначение плана формирования, тогда как вариант, полученный в результате расчета по средним значениям, не предусматривал подобной возможности. В этом случае имеется потеря

вагоно-часов, вызванная переработкой рассматриваемой струи, в размере -80,5 в-ч. Разработанная СПР на основе спрогнозированного ИНС вагонопотока приняла решение в этот же период выделить струю Б-Г в назначение плана формирования. Выделение данной струи позволяет сэкономить 80,5 в-ч. Разница затрат вагоно-часов между двумя вариантами составит 80,5 - (-80,5) = 161 в-ч. Подобным образом были просчитаны все 12 рассматриваемых периодов, и общая экономия вагоно-часов, полученная в результате применения адаптивного управления вагонопотоками, составила 10803,12 в-ч. Таким образом, предлагаемый метод адаптации плана формирования поездов к суточным колебаниям вагонопотоков подтвердил свою работоспособность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Адаптивность плана формирования колебаниям вагонопотоков должна подразумевать под собой также и его устойчивость. Кроме того, адаптация плана формирования колебаниям вагонопотоков должна производиться на основе учета переменного характера всех участвующих в расчете нормативов, и не должна быть привязана к отчетным периодам.

2. Разработан метод определения границ неравномерности вагонопотоков отдельных назначений плана формирования поездов на расчетный период. Данный метод базируется на выражении плановых вагонопотоков нечеткими числами, построенными на основе статистических данных за прошлый период.

3. Предложена аналитическая формула расширения нечетких чисел, характеризующих неравномерность плановых вагонопотоков, на расчетный период, что позволяет отразить изменение объема перевозок.

4. Показана возможность отражения переменного характера расчетных нормативов плана формирования поездов с учетом их нелинейной зависимости от неравномерности вагонопотоков. На основе такого представления произведена модификация общего достаточного и необходимого условий выделения струи вагонопотока в назначение плана формирования.

5. Разработана классификация струй вагонопотоков в зависимости от их удовлетворения условиям выделения в условиях неравномерности вагонопотоков и расчетных нормативов плана формирования

6. Введено понятие «оптимальное в условиях неравномерности пороговое значение вагонопотока для назначения» и„ор.опт, которое находится в соответствии с подходом Беллмана-Заде как пересечение нечетких целей и

15

ограничений, накладываемых на эти цели. Показано, ЧТО 17пор.опт ДеЛИТ исходное нечеткое число на два подмножества, каждое из которых характеризует устойчивый диапазон колебаний вагонопотоков.

7. Анализ работы инженеров по плану формирования при корректировке назначений показал, что при принятии решений о корректировке назначения они пользуются эвристическими правилами, выработанными на основе опыта и основанными на общем достаточном условии. В диссертации сформулировано 15 правил, которые представлены в виде нечеткой продукционной модели.

8. На основании рассмотренного примера расчета плана формирования поездов подтверждено теоретически обоснованное повышение уровня адаптации плана формирования поездов к фактическим колебаниям вагонопотоков. Общая экономия вагоно-часов от применения разработанного метода составила 10803,12 в-ч.

Основные результаты исследования опубликованы в работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Кудрявцев В. А., Бадецкий А. П. Учет колебаний вагонопотоков при расчете плана формирования поездов // Известия Петербургского Университета путей сообщения. -2012.-Вып. 4.-С. 10-16

2. Бадецкий А. П. Разработка расчетных вагонопотоков плана формирования поездов с учетом их неравномерности // Вестник транспорта Поволжья. — 2013. — Вып. 3. — С. 53-

3. Котенко А. Г., Бадецкий А. П., Бессолицын А. С. Определение порогового значения вагонопотока, оптимального в условиях неравномерности // Вестник транспорта Поволжья. - 2013. - Вып. 4. - С. 19-26

Другие публикации:

4. Бадецкий А. П. Оценочный расчет плана формирования поездов с дифференцированными затратами на накопление // Актуальные проблемы управления перевозочным процессом. - 2010. - Вып. 10. - С. 31-39

5. Бадецкий А. П. Дифференциация затрат на накопление при расчете плана формирования поездов // Материалы I международной научно-практической конференции «ИнтеллектТранс-2011». СПб.: ПГУПС, 2011. - С. 260-262

6. Бадецкий А. П. Интеллектуальная система поддержки принятия решений о корректировке отдельных назначений плана формирования поездов // Материалы III международной научно-практической конференции «ИнтеллектТранс-2013». СПб.: ПГУПС, 2013. - С. 195-200.

7. Кудрявцев В. А., Бадецкий А. П. Применение теории нечетких множеств в расчете плана формирования поездов // Материалы международной научно-практической конференции «Транспорт России: проблемы и перспективы». Спб.: ИПТ РАН, 2013. -

60

С. 128-130.

Подписано к печати Печать—ризография Тираж 100 экз._

15.11.2013 г. Печл,-1,0

Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1/16

Заказ №1130.

Тип. ПГУПС

190031, С.-Петербург, Московский пр., д. 9.

и

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения»

На правах рукописи

БАДЕЦКИЙ АЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ

МЕТОД АДАПТАЦИИ ПЛАНА ФОРМИРОВАНИЯ ПОЕЗДОВ К СУТОЧНОЙ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ВАГОНОПОТОКОВ

Специальность 05.22.08 - Управление процессами перевозок

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кудрявцев В. А.

Санкт-Петербург 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

1 ГЛАВА. ОБЗОР И АНАЛИЗ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ТЕОРИИ ОРГАНИЗАЦИИ ВАГОНОПОТОКОВ В УСЛОВИЯХ ИХ НЕРАВНОМЕРНОСТИ...........................6

1.10 системе организации вагонопотоков...............................................................6

1.2 Развитие системы организации вагонопотоков.................................................8

1.3 Отечественный опыт и практика в области неравномерности эксплуатационной работы железных дорог...........................................................17

1.4 Определение расчетных нормативов плана формирования поездов.............21

1.4.1 Определение затрат на накопление составов............................................22

1.4.2 Определение норматива экономии от проследования вагонами технической станции без переработки................................................................25

1.5 Адаптивность плана формирования поездов как проблема «гибкости-устойчивости» ............................................................................................................31

2 ГЛАВА. АНАЛИЗ КОЛЕБАНИЙ ВАГОНОПОТОКОВ ОТДЕЛЬНЫХ НАЗНАЧЕНИЙ ПЛАНА ФОРМИРОВАНИЯ ПОЕЗДОВ........................................37

2.1 Проверка разброса колебаний вагонопотоков на соответствие законам распределения случайной величины.......................................................................37

2.2 Анализ колебаний мощности вагонопотоков относительно среднего значения......................................................................................................................48

2.3 Классификация колебаний вагонопотоков.......................................................52

2.4 Анализ математических теорий, предназначенных для работы с неопределенной информацией.................................................................................54

2.5 Общие положения теории нечетких множеств................................................57

3 ГЛАВА. ОТРАЖЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ХАРАКТЕРА РАСЧЕТНЫХ НОРМАТИВОВ В РАСЧЕТЕ ПЛАНА ФОРМИРОВАНИЯ ПОЕЗДОВ................65

3.1 Определение границ неравномерности вагонопотоков на расчетный период .....................................................................................................................................65

3.2 Выражение расчетных параметров плана формирования с учетом влияния неравномерности вагонопотоков.............................................................................76

3.3 Определение порогового значения вагонопотока, оптимального в условиях неравномерности.......................................................................................................80

3.4 Пример расчета плана формирования поездов с переменными расчетными нормативами..............................................................................................................92

I 2

ъ 1

3.4.1 Расчет плана формирования поездов по средним значениям.................92

3.4.2 Расчет плана формирования с учетом колебаний вагонопотоков..........94

4 ГЛАВА. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ КОРРЕКТИРОВКЕ НАЗНАЧЕНИЙ ПЛАНА ФОРМИРОВАНИЯ.......................101

4.1 Постановка задачи.............................................................................................101

4.2 Построение прогнозной составляющей системы принятия решений.........102

4.2.1 Алгоритм получения прогнозного значения вагонопотока...................104

4.3 Построение нечеткой продукционной модели...............................................112

4.4 Апробация системы принятия решений для корректировки назначений плана формирования...............................................................................................119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................127

Список использованных источников........................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Суточные вагонопотоки назначений плана формирования по-станции Санкт-Петербург-Сортировочный-Московский за 2011 - 2012 гг.........142

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Проверка суточных колебаний вагонопотоков на соответствие законам распределения случайной величины..........................................................184

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Результаты работы системы принятия решений.....................187

ВВЕДЕНИЕ

В эксплуатации железных дорог центральное место занимает проблема организации вагонопотоков в поезда и ее конкретное выражение - план формирования поездов. Именно план формирования поездов устанавливает наиболее рациональный порядок следования вагонопотоков по направлениям железнодорожной сети и призван обеспечивать устойчивое положение ОАО «РЖД» на рынке конкурентных транспортных услуг. Данное положение предполагает под собой не только обеспечение минимальных расходов на перевозки, но и соблюдение нормативных сроков доставки грузов и удовлетворение запросов грузоотправителей и грузополучателей.

Нерациональная организация вагонопотоков в поезда является одной из основных причин невыполнения данных условий. В результате, в сложившихся на железных дорогах рыночных отношениях, часть грузов переходит на другие виды транспорта.

Большая часть исследователей, занимавшихся вопросами организации вагонопотоков, ставила первопричиной нерациональной организации изменение условий работы железных дорог, отмечая необходимость разработки новых методик расчета плана формирования поездов. Объективно существующая неравномерность грузо- и вагонопотоков рассматривалась отдельно от системы организации вагонопотоков, несмотря на ее достаточное влияние на невыполнение и корректировки плана формирования. Таким образом, организация вагонопотоков представлялась детерминированной системой, и переход от одного состояния системы к другому при изменении расчетных параметров осуществлялся посредством плановых и оперативных корректировок плана формирования. Тем не менее, неравномерность вагонопотоков в методах расчета плана формирования не учитывалась.

В настоящее время, когда продолжается третий этап реформирования отрасли, согласно «Стратегической программе развития железнодорожного

транспорта до 2030 г.», должны быть модернизированы не только принципы управления эксплуатационной работой отрасли. Поскольку неравномерность вагонопотоков оказывает существенное влияние на план формирования поездов, который, в свою очередь, предопределяет качество работы железнодорожного транспорта, необходимо создание методов ее учета, то есть переход от управления вагонопотоками «по факту» к управлению «упреждающему», включающему в себя предвидение ситуации и выработку решений до того, как она произойдет.

Необходимость в оперативной корректировке плана формирования всегда будет достаточно острой, какие бы совершенные математические методы не использовались при разработке плана формирования. В настоящее время оперативные корректировки производятся на основе личного опыта ответственных работников. Систем принятия решений при оперативной корректировке плана формирования нет.

Основной целью данного исследования является разработка метода адаптации плана формирования поездов к суточной неравномерности колебаний, позволяющего находить наиболее возможные варианты плана формирования на расчетный период исходя из характера неравномерности вагонопотоков.

1 ГЛАВА. ОБЗОР И АНАЛИЗ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ТЕОРИИ ОРГАНИЗАЦИИ ВАГОНОПОТОКОВ В УСЛОВИЯХ ИХ НЕРАВНОМЕРНОСТИ

1.1 О системе организации вагоиоиотоков

В современных условиях, сложившихся на железнодорожном транспорте после создания ОАО «РЖД» и перехода от плановой к рыночной экономике, система организации вагонопотоков продолжает являться важнейшей технологической задачей эксплуатационной работы железнодорожного транспорта.

Организация вагонопотоков устанавливает наиболее рациональную систему формирования поездов и порядок их следования по железнодорожным направлениям.

В соответствии с [45], организация вагонопотоков должна обеспечивать минимальные расходы на перевозки, соблюдение нормативных сроков доставки грузов, а также запросы грузоотправителей и грузополучателей.

Организация вагонопотоков в поезда производится по плану формирования, который устанавливает род и назначение поездов и групп вагонов, формируемых железнодорожными станциями. От правильной организации вагонопотоков зависит устойчивое положение ОАО «РЖД» на рынке транспортных услуг.

Значительный вклад в решение задачи рациональной организации вагонопотоков внесли крупные советские и российские ученые A.A. Аветикян, В.М. Акулиничев, А.П. Батурин, А.Ф. Бородин, К.А. Бернгард, И.И. Васильев, П.Я. Гордеенко, C.B. Дувалян, В.А. Кудрявцев, В.И. Ковалев, А.Т. Осьминин, И.И. Осьминина, А.П. Петров, А.И. Попов, А.К. Угрюмов и другие.

В этих работах и работах многих других ученых было решено множество

вопросов, касающихся методов расчета плана формирования, нахождения

расчетных нормативов и определения экономически целесообразных путей

следования вагонопотоков. В настоящее время расчет плана формирования

производится с помощью специализированных автоматизированных систем (АС

б

РПФП, КРиН, Сеть-3). Но в них не учитывается влияние колебаний вагонопотоков на план формирования. В современных условиях данный вопрос приобретает особенную остроту.

Исходя из размерности и сложности решения задачи, множества факторов, влияющих на допустимые решения, в расчете используются средние значения вагонопотоков за определенный период и соответствующие средние значения нормативов. В настоящее время план формирования поездов не рассчитывается, а производятся корректировочные расчеты исходя из сложившейся на сети обстановки1. «Единым сетевым технологическим процессом» (далее - ЕСТП) предусмотрен переход от подобной системы к расчету адаптивного ПФП на основе имеющейся грузовой базы и заявок на перевозки. Не последнюю роль в расчете ПФП играют колебания вагонопотоков, вызванные неравномерностью эксплуатационной работы железных дорог. Обычно неравномерность, ее причины и следствия рассматривались отдельно от системы организации вагонопотоков. Отсутствие детальной информации о колебаниях вагонопотоков и невозможность их учета при расчете ПФП приводит к корректировкам, которые производятся на основе использования тех же средних значений вагонопотока, но за более короткий период.

Таким образом, неучет неравномерности вагонопотоков снижает эффективность его выполнения. В современных условиях возникает потребность создания системы организации вагонопотоков, рационально сочетающей стабильность и неизменность плана формирования с гибкостью и способностью приспособления к изменяющимся условиям (адаптивность). Стоит отметить, что в настоящее время у ученых не всегда совпадают взгляды на то, каким должен быть адаптивный план формирования поездов. В ЕСТП адаптивным планом формирования поездов называется рассчитанный на месяц на основе заявок на перевозку и имеющейся грузовой базы, отражающий изменения вагонопотоков в этот месяц (т.е. по средним в сутки), в работе С. В. Дорошко [35] адаптивным

1 Материалы III Сетевой школы инженеров по плану формирования поездов, доклад д.т.н., проф. А. Ф. Бородина. Проводилась 01.09.-05.09.2012 г. на базе кафедры «УЭР» ПГУПС.

7

предлагается считать план формирования поездов, в котором предусмотрено оперативное формирование групповых поездов вместо одногруппных в случае спада вагонопотока рассматриваемого назначения, тогда как в работе А. Ф. Бородина [23] адаптивное управление вагонопотоками должно основываться на трехслойном плане формирования.

1.2 Развитие системы организации вагонопотоков

Несмотря на общие нормативы и критерии оценки получаемого результата, в созданных методах расчета плана формирования поездов (ПФП) сложились три различных направления. Первое направление основывается на последовательном сопоставлении струй вагонопотоков. Второе подразумевает под собой сравнение показателей всех возможных или отобранных определенным образом вариантов. Третье направление основывается на последовательном улучшении плана.

Первое направление методов заложено профессором И.И. Васильевым, разработавшим аналитический метод расчета [28]. Позднее его методика была расширена, уточнена и дополнена в работах B.C. Ларионова [59], А.К. Угрюмова [103], Л.П. Тулупова [99, 100], К.А. Бернгарда [18-21], В.М. Акулиничева [3-8].

Второе направление методов заложено профессором А.П. Петровым [74-76]. Большой вклад в совершенствование данной методики внесли В.П. Черенин [105], В.Г. Саенко и Б. Дел Рио [88].

Родоначальником третьего метода является C.B. Дувалян [36-38].

Главнейшим условием для выделения специализированного назначения для формирования И.И. Васильев [28] называет сбережения вагоно-часов от проследования вагонов в составе поездов этого назначения транзитом через попутные технические станции. При этом необходимо, чтобы эти сбережения перекрывали затраты вагоно-часов на накопление таких поездов. Профессором П.Я. Гордеенко было дополнительно замечено, что при выделении части основного потока в поезда, следующие на более дальнюю станцию, нежели поезда основного

потока, достаточно считать экономию вагоно-часов не на всем пути следования, а по станции расформирования поездов основного потока.

Впоследствии данные условия получили названия необходимого и достаточного условий, и были положены в основу расчета плана формирования поездов аналитическим методом.

Профессор И.И. Васильев предлагал считать план формирования поездов в следующем порядке. Струи вагонопотоков делились на три категории:

1) Удовлетворяющие общему достаточному условию. Такие струи выделяются в самостоятельные назначения плана формирования.

2) Не удовлетворяющие общему достаточному условию, но отвечающие необходимому условию. Для струй второй категории производится ряд сравнений и объединений с целью выявить наиболее выгодный вариант.

3) Не удовлетворяющие ни тому, ни другому условию. Струи этой категории всегда объединяются с другими струями.

Следует отметить, что при расчете по данному методу сложно определить оптимальный вариант организации вагонопотоков, поскольку возможно существование вариантов, близких к оптимальному по затратам вагоно-часов, но с меньшей переработкой, что затрудняет выбор окончательного варианта.

В. С. Ларионов [59] дополнил данный метод графическим изображением струй вагонопотоков и предложил разделять их на струи достаточной, необходимой и малой мощности. Струи группировались по расчетным зонам, границами которых служили станции назначения опорных струй (отвечающих достаточному условию).

А. К. Угрюмов [103] предложил объединять вагонные струи, выходящие с одной технической станции не попарно, а группами, поскольку условия объединения вагонопотоков иногда зависят от мощности более коротких струй. Выполнение расчета начинается с наиболее дальней струи. В качестве замечания можно отметить, что предложенный А.К. Угрюмовым метод не содержит описания строгой последовательности корректировки.

Развитием исследований И.И. Васильева можно назвать и метод совмещенных аналитических сопоставлений К.А. Бернгарда [19], который предложил определять оптимальный вариант путем последовательного построения «графиков назначений» и отбора по этим графикам наиболее выгодных назначений поездов - исходных назначений. Назначения, не удовлетворяющие необходимому условию, присоединяются к выделенным назначениям либо следуют в составе участковых поездов. По каждому исходному назначению выполняется ряд проверок. После отбора наиболее выгодного назначения его вагонопоток исключается из общего потока. Далее выполняется построение следующего графика назначений, и цикл повторяется до тех пор, пока ставшийся вагонопоток не окажется недостаточным для выделения исходного назначения. Данный метод имеет те же достоинства, что и метод аналитических сопоставлений (расчет возможен для полигона с большим количеством станций) и те же недостатки -приближенность решения, возможность получения вариантов, близких к оптимальному, что, в конечном итоге, затрудняет окончательный выбор.

Профессор В. М. Акулиничев [3, 4] предложил разделять вагонопотоки на ряд категорий, на основании которых последовательно отбирались варианты плана формирования. Затем рассматривалась возможность выделения в назначения ПФП параллельно и параллельно-последовательно расположенных струй. Данный метод получил название метода непосредственного расчета. Стоит отметить, что данный метод позволяет также находить и варианты плана формирования поездов, но в конечном итоге к исполнению принимается только один вариант, обеспечивающий максимальную экономию вагоно-часов.

А.П. Петровым [76] разработан метод абсолютного расчета. Он заключается в нахождении всех возможных вариан�