автореферат диссертации по транспорту, 05.22.03, диссертация на тему:Научные основы формирования и развития сети высокоскоростных железнодорожных сообщений

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИЕЕРСЙТЕТ ПУТЕЙ' СООБЩЕНИЯ ( МИИТ )

На правах рукописи ЕШАРЕВА Евгения Ароновна

УДК 625.111:519.2

НАУЧНЫЕ ОСНОШ ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ СШ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЯЕЛЕЗН0Д0Р0ШЫХ СООБЩЕНИЙ

05.22,03 - Изыскание и проектирование железных дорог

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения (ШИТ).

Научный руководитель - доктор технических наук,

' профессор ГАВРИЛЕШОВ .Александр Валентинович; Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор ШУВКО Владимир Григорьевич;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ПАРШИКОВ Виктор Александрович. Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВШИТ МГО РФ).

. Защита состоится " & " -^ИгМ^? 1994 г. в час. " && " мин. на заседании специализированного совета Д 114.05.03 при Московском государственном университете цугей сообщения по адресу: 101475, ГСП Москва, А-55, ул. Образцова, 15, ауд. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. • • х>

Автореферат разослан " " 1993 г.

Отзыв на реферат, заверенный печатью, прочим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь .специализированного совета

Э.В.ВОРбЕЬЕВ

л-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность проблемы. Теория оптимизации транспортных сетей в целом, и сетей пассажирских келезнодорозных сообщений d частности, достаточно широко освещена в литературе как d странах СНГ, так и за рубежом. В грудах ученьа транспорта в качество одного из осношшх направлений улучшения работы системы пассажирских железнодорожных сообщений определяется создание сети высокоскоростных магистралей (ВС!.!).

Но научные исследования в настоящее время ведутся в основном по отдельным направлениям и в области технического оснащения ЕСМ. Проработки в области топологии сети и стратегии ее развития на носят системного характера. Предлагаемая работа посвящена проблеме разработки методологии формирования топологии cent BGJ и обоснования стратегии со развития.

Для того, чтобы капитальные вложения, которые будут шдо-лены на организации высокоскоростного пассажирского дарения, использовались более эффективно, нообходим научный подход, вклпчааций техннно-экономическжз расчеты по формированию и сопоставлена всех воэмешйк альтернатив начертания сети, их сценку с лоследупцим отбором и ранжированием на основа процедур оптимизации и доминирования.

Разработанная в диссертации концепция создания высокоскоростных специализированных пассажирских линий базируется на отечественном и мировом опыте проектирования ВСЦ и позволяет реализовать такой подход.

Цель работы заключается в ряэработгее методологии формирования оптимального начертания сети специализированных высокоскоростных сообщений и определения стратегии ее развития.

Методы исследования. Основными методами определония оптимальной топологии транспортной сети, используемыми в насто^ей работе, являются: методы тоории принятия решений, метода снс-TOjjHoro анализа, теории графов, ттрично-натематического моделирования, комбинаторные методы, а таете их приложение к оптимизации транспортных сетей.

Научная новизна диссертации состоит в создании методологии формирования начертания сети BCL1, в рамках которой:

- предложена классификация структур сетей BCL1 по sdc топологии;

- разработана методика графо-матричного предстаатешя сетей ГШ в сада деревьев направлений и леса деревьев гаправленкй;

- разработана система натуральных критериев технической и экономической эффективности фцгнкционирашшш ccisft КМ;

- разработана процедура нормализация натуральных' критериев для приведения юс к безразкерлосги;

- реализован метод многокритериальной оптимизации для оцаини начертания вариантов сотей BCU;

- лродлоиен алгоритм обработки материалов экспортных про-цэдур с целью определения весовых коэффициентов критериев эффективности сети;

- разработаны последовательная и сокращенная методологии обоснования стратегия развития сети.

Практическая ценность работы заключается в доведении на-учно-теоратнческих исследований до возможности их практического примэнения:

- разработанная методика позволяет сформировать мноаество допустимых вариантов начертания сети при помощи програш для

персонального компьютера, разработанных на основании графо-матричных методов;

- метод многокритериальной оптимизации с применением экспертных оценок и процедуры ранжирования позволяет устанавливать приоритеты вариантов сети ВОЛ по обоснованному набору критериев;

- разработанная в диссертации методология дает возможность построить оптимальную стратегию развития сети ВСМ;

- приведенные в работе процедуры формирования множества вариантов и его последующей оптимизации могут быть использованы при проектировании транспортных сетей и определении их развития.

Реализация работы. Научные положения, разработанные в диссертации, предназначены для использования «во BKffîâTe LITE Р4, прооктно-изыскательских институтах фирмы Транспроект при разработке проектов сетей ВСМ к их развития, определения приоритетов в очередности сооружения ВСМ.

Апробация работы. Основные положения диссертации нашли свое отражение в Целевых комплексных программах "Прогресс" (I960 г.), "Ускорение" ( 1987-1983 гг.), "Скорость" (1989 -1990 гг.), разрабатывае;гых по заказу HIC СССР; в докладе "Концепция и перспективы развития высокоскоростного специализированного и скоростного пассажирского келезнодорояного сообщения в Европейской части СССР" (1991 г., заказчик Мос-гипротранс); в выполняемой в ранках Государственной научно-технической преграды МГС РФ "Высокоскоростной экологически чистый транспорт" научно-исследовательской работе по теме "Системное представление высокоскоростного железнодорожного

_ б -

транспорта" (1992 г., заказчик ВНИИЖТ МГО РФ); в научно-исследовательских работах то темам: "Разработка предложений по соо-данка высокоскоростных железнодорожных линий с сообщении Европа - Азия" {1992 г.), "Каучгю обоснованная концепция вариантов развития сети железных дорог для транспортного обеспечения комплексного освоения природных ресурсов Восточного и Дальневосточного экономических регионов" (1992 - 1993 гг.). "Разработка концепции развития высокоскоростных железнодорожных сообщений в Российской ¿Федерации с учетом конъюнктуры и • спроса на рынке транспортных услуг" (1993 г.). Материалы дис- -сертации и основные результаты исследований докладывались и одобрены на научных семинарах и заседаниях кафедры "Изыскания и проектирование железных дорог" ШИТа (1991 - 2993 гг.), технических советах отдела "Изыскания железных дорог" Мосгипро-транса (1993 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами, общих выводов, списка использованной литературы, вклшаыцего 116 источников, в том числе 2 на иностранных языках. Работа изложена на 223 страницах машинописного текста, включая 38 рисунков, 28 таблиц и б прнлоаений на 34 страницах.

. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана роль и значение ВСМ, на основании их преимуществ перед другими видами транспорта и опыте зарубежных стран обоснована необходимость создания сетей ВСЦ в СГН, обоснована актуальность теш.

Первая глава посвящена обзору исследований в области по-

выиения скоростей движения пассажирских поездов и совершенствованию пассажирских перевозок, их анализу, выявлении я постановке задачи.

Теория оптимизации функционировании и развития транспортних сетей довольно широко освещена в литературе как в PÖ, так и за рубежом.

Проблема оптимизации транспортных сетей постоянно привлекала внимание ученых транспорта и наыла свое отражение в трудах Н.И.Вецевой, H.A.Батуриной, H.A.Воробьева, A.B.ГаБриленкоса, А.Е.Гибишана, С.С.£аброва, Б.С.Козина, И.Т.Козлова, Й.П.Кочнева, В.Н. Лившица, В.Я.Негрея, В.А.Парзикова, К.В.Пар-шиковоЯ, Б.Э.Пейсахэсна, В.М.Петрова, Н.В.Празднна, Л.З.Пра-сош, И.В.Турбина, Г.И.Черномордика, В.Г.Шубко и др.

В простом десятилетии МПС, дорога:.«, ВКлЖГом и вузаг.гл МГО разрабатывались Целевые комплексные программы ("Прогресс", "Скорость", "Ускорение"), направленные на повышение скоростей движения поездов.

Известны тагсхе исследования в области оптимизации транспортных сетей заруб еаикх авторов Еерж К., Еасакер Р. и Саати Т., Данциг Дж., Стенбринк, Сорд Л. и Салкерсон Д., Харари 0., Ху Т. и рад других.

Задача диссертации состоит в разработке методологии формирования и развития сети пассажирских сообщений. В работе обосновывается топология сети, а инфраструктура звеньев сета принимается неизменной, соответствующей международным требованиям к ЮМ и в соответствии с Научный проектом ВСМ "Санкт-Петербург - Москва", в разработке которого принимали активное участие ученые Ленгипротранса, ВНИИНТа, Ыосгипротранса.

- в -

Решение задачи осуществлено на основе методов теории принятия решений по следящей процедуре:

1. Содержательная постановка задачи. Соединить в единую транспортную сеть заданное множество населенных пунктов оптимальным образом по выбранному набору критериев.

2. Формализация задачи. Формализации подлежат следующие понятия:

- транспортная сеть - сеть вновь сооружаемых высокоскоростных железных дорог, соответствующих техническим параметрам . ВШ ;

- заданное множество населенных пунктов (нуль-граф) -совокупность узлов, соответствующих количеству городов, входящих в сеть (обозначено символом р );

- критерий эффективности сети { Я*, ^г ,...., )•

3. йормировашэ множества возмояных вариантов.

При формировании множества вариантов в диссертации использованы метода теории графов. В качестве математической модели транспортной сети, используется плоский направленный граф.

На основе решения.комбинаторной задачи находится множество всех возможных минимальных подграфов - множество возможных вариантов. Но не все подграфы, входящие в это множество, являются "связными, т.е. обеспечивают выполнение главного ограничения задачи - соединения в единую транспортную сеть заданного множества населенных пунктов, В несвязных подграфах имеются узлы или ребра, на соединенные с графом, нулевые вершины или ребра графа. Такие подграфы должны быть исключены из множества вариантов. _

4. Формирование множества допустимых вариантов. Количество допустимых вариантов находится как детерминант симметричной

матрица смежности графа, соответствующего проектируемой сети, и равно количеству деревьев графа. Оно находится путем исключения из множества возможных вариантов несвязных подграфов.

5. Выбор критерия. В данном исследовании сравнение вариантов производилось не по одному критерия, а по совокупности ряда независимых критериев, т.е. реяается многокритериальная задача. Для каждого варианта определяется вектор критериев

R =< Я, , , ..... ).

6. Г/лтематкческая постановка задачи. Найти в .«.ножестве, состоящем из (¿еб(а-ф вариантов начертания сети, вариант имзщиЯ оптимальное значение критериальной функции, учитывающей все критерии оптимизации.

7. Выбор метода решения задачи. Рассматриваем задача относится к классу многокритериальных статических детерминированных задач. В качестве метода решення задачи предлагается метод идеальной точки, в котором П. критериев сводятся к одному обобщенному критерию.

Процедура ранжирования позволяет получить в результате расчета ранжированную по обобщенному критерию уэ последовательность вариантов нечертания сети, сопровождаемую их частными показателями и дащу» тмиу, принимающему решение (ЛПР), информацию по решаемому вопросу.

8. Принятие решения. Формально лучшим является вариант с минимальным обобщенным критерием ^ . Однако наряду с обобщенным критерием при принятии решения должен учитываться весь спектр показателей вариантов. Вопрос о выборе оптимального варианта репается на заключительной стадии принятия ре-пения и находится в компетенции ЛИР.

Во второй главе рассматривается процедура формирования множества вариантов начертания транспортной сети. Предлагается классификация транспортных сетей по их топологии, начиная от минимально необходимой для охвата всех заданных населенных пунктов - дерсвообраэной. сети и кончая насыщенной шогосаяз-ной сетью. Далее при' помощи методов теории графов решается узловая проблема при завязке проекта - формирование ынсжаства вариантов.

Произвольная сеть пассажирских сообщении моделируется с-помощью графа с узлами О, I, 2, р и ребраш

О, I, 2..... {> •

Подграф ненаправленного графа, содержащий все узлы и не ииещий пзтель, называется "полным деревом". Дзрево является минимальным подграфом, соединящнм все вершит.

Пзрзой задачей проектирования сети пассажирских сообщений является разыскание всех возьшяых деревьев, т.о. формирование "леса деревьев направлений".

Количество деревьев & определяется как детерминант симметричной матрица смежности А :

8 . ¿¿её А - а>е6 (ау) ( I )..

где - элементы главной диагонали матрицы смежности

представляет собой число рзбер, объединяемых I -тым узлом (инцидентных узлу С ),

<2- - остальные элементы матрицы смежности представляют собой число ребер, имеицих узлы с и ^ в качестве концевых (соединяющих узлы I и / ), взятое со знаком минус.

Определитель матрицы смежности для сети с 10 ребрами (рис. I):

I 3 -Г 0 -1 о о

Один из узлов в формировании матрицы смежности не участвует в тестовом примере - это город Москва.

Отыскание всех полных деревьев является комбинаторной задачей. Решение ее достигается с помацьп цифровых кодов, содержащих номер» ребер.

Построение множества кодов производится -с помацьв двух правил:

1) числа, соответствующие номерам ребер, внутри кода долк-ны возрастать;

2) числа, соответствующие коду, должны возрастать.

Далее предлагается формальный алгоритм для выявления

множества петель графа, всего для рассматриваемого примера выявлено II петель (рис. 2).

Подграфы, содержащие петли, должны быть исключены из множества кодов-подграфов, как неудовлетворяющие определении дерева (минимального подграфа).

После исключения подграфов с петлями остается множество всех возможных деревьев направления - "лес деревьев направлений". Количество кодов в этом множестве совпадает со значением определителя матрицы смежности для рассматриваемого графа,

-I 4-1 0-10

0 -1 3 0 0 -1

-I 0 0 2 -1 0 0-10-13-1

О 0-10-12

« 95

5_,< Минск

Брест

\1

э \

А ' ' О V

Львов Киев /

? 4 /

/2

1 г .. /

¿{ишинев Харькзв

Рис.1.Опорная транспортная сеть в вид© графа (Примечание: цифрами большего размера обозначены номера ребэр, меньшого - номера узлов)

Рис.2.Петли графа (Примечание: цифрами большего размера обозначены номера петель, • меньшего - номера ребер, образующих петлю)

т.о. как и предполагалось по теории графов в "лесу" 95 деревьев направлений.

Метод позволяет расширить задачу, вюгачая з сеть фиксировавшие СВЯЗИ.

Изложенный подход к формированию вариантов направления гарантирует генерации гсех юзмоямых вариантов, т.е. гарантирует разработчику полнуэ уверенность, что ни один из вариантов не будет потерт!.

Полученное таким образом кнежэство-вариантов подлежит в дальнейшем сопоставлении, разсшросашга и анализу с цель» выбора окончательного варианта проекта езти.

В третьей главе производится оценка предложенных альтернатив при помеци критериев эффзктишости, т.а. оптимизации-кно расчеты.

Наиболее пзрепактиитми явлштся метода, позволяющие производить оптимизацию по ряду критериев, или иначе методы много :гритериальноИ оптимизации.

Сравнение полученного множества вариантов осуществлялось методом идеальной точки, который дает возможность сравнивать полученное мноззетво вариантов по ряду критериев, причем хри -терпя могут иметь, различные несопоставимые единица измерения.

Для возможности сопоставления и соизмерения критериев определялись абсолютные значения частных критериев и проводилась нормализация критериев.

Под нормализацией понимаемся последовательность процедур, с помогць» которой все критерии приводятся к единому безразмерному масштабу измерения.

Максимальное значение каждого критерия обозначено через

- 14 -

, а минимальное - через , ^ - текущее значе-

ние критерия.

Критерии разделены на две группы. К первой группе отнесены критерии , ^ «= I,.. 3 , которые желательно максимизировать. Ко второй группе - критерии Р: , ^ *> 5 +1 ... (У) , которые желательно минимизировать.

Если целью задачи является максимальная эффективность, то нормализованные критерии определяются формулами: максимизируемы©

' С.)

минимизируемые С* - Й-

^ _ 21_• , 4 ^ ( 3 ).

4 {

Бели целью задачи являются минимальные потери, то нормализованные критерии определяются формулами: максимизируемые

минимизируемые

ГЛ " —» (5).

/ V

Далее определяя обобщенный критерий и множество вариантов ранжировалось по обобщенному критерию.

В методе идеальной точки необходимо определить "расстояние" в многомерном евклидовом пространстве от реальных вари-

антов до идеального (размерность пространства определяется количеством критериев).

При оптимизации с целью получения минимальных потерь точка, характеризующая идаальный вариант - абсолютна оптимум, располагается а начале координат (оптимальные нормализовании!) значения всех частных критериев равны нулю). Расстояние мезду идеальными и реальными вариантами определяется по формуле:

р = у/ •( *

2. 5. Ь

( 6 )

где , т~г , ..., Т"т - нормализованные частные критерии;

С1 . С л » ...» Ст - весовые коэффициенты, учитывающие значимость каздого критерия в общей оценкэ варианта, т

.5 ¿1 - 1, С:>0.

¿4

Это расстояние и является обойцегшнм критерием.

По этому кригергзо ранжируется множество всех имеющихся вариантов, и лицо, яринимащее решение, имеет воэмояность, проанализировав и сопоставив оптимальный и ряд субоптимальных вариантов, остановить свой выбор на одном иэ них.

Проблема назначения приоритета частных критериев и определения их весоЕых коэффициентов решалась при помощи экспертизы, На рис. 3 представлен зависимость двух частных крнте-риэв ОТ' некзра варианта в рашнроианной последовательности. 11а этом рисунке явно просматривается тенденция колебаний значений критериев относительно монотонно убывающей (для максимизируемого критерия - прибыль) и монотонно возрастающей

прибыль П, млн.руб.

№ варианта в ранжированной последовательности

Рис.3. Зависимость значений частных критериев от

номера варианта в ранжированной последовательности.

(для минимизируемого критерия - строительная стоимость) кривых. Причем, чем больше значение несозого коэффициента частного критерия, тем более ясно просматривается эта тенденция ( С„ = 0,48, Ск = 0,1275). Следовательно, оптимизация по обобчешому критерии дает результаты, в основной своей тенденции совпадающие с оптимизацией по одному отдельно взятому критерии, имещему максимальное значение весового козффициента, но дает результат, разносторонне характеризующие полученное множество вариантов.

В четвертой главе предложена методика обоснования стра- ' тегии. развития сети от минимальной до опорного полигона.

Описанная процедура формирования шояеетва вариантов при помощи цифровых ходов позволяет определить коды всех вариантов нснасьценшх сетей, зашсэщих пго:!е:яуточноо полотенце мелду опорным полигоном и мишмалькой сетк».

Процедура многокритериальной оптимизации, списанная вьае, была последовательно проведена для гнолзств аариангов начертания ненасыщенных транспортных сетей. Многокритериальная оптимизация позюляет наметить стратегия развития транспортной сети от минимальной до опорного полигона в виде последовательности добавления ребер.

В пятой глава на основе созданной в диссертации методологии разработана концепция формирования i: развития сети высоко-скорссягых пассажирских сообщений з Европейской части СНГ. Б результате получены оптимальный и субоптииальный варианты начертания сети ECU ( рис. 4 и 5). Стратегия развития представлена на рис. 6 ¡сак последовательность добавления ребер з оптимально .минимальную сеть (последовательность добавления

Рис.4.Оптимальный в.-фиги it начертания сети птс.б.Субоптималький вариант начертания сети

Рнс.б.Стратегия расвлгия сети

ребер показана на рис. 6 цифрами).

ощиз вывода •

В диссертационной работе решена проблема разработки методологии формирования и развития сети пассажирских сообщений, в рамках которой получены следующие результаты:

1. Проведен анализ методов формирования и развития транспортных сетей; методов оптимизации, используюцихся сейчас в практике проектирования гелезных дорог,' критериев технике -экономической эффектишсстн функционирования ВСМ. Проведенный анализ показал, что в этой области имеются следуядие результаты: разработаны мзтоды решения задач развития сети, методы реаенил транспортной задачи оптимизации перевозок, все чацо

в оптимизационных расчетах отказываются от решения однокрите-.риальных задач п пользу многокритериальных, обосновывая новые, не используете ранее, критерии оффоктнвностк. Однако анализ показывает, ото перецениьм остается ряд существенных вопросов. Но использованы методы латричной теории графов при проектировании транспортных сетей, которые позволяют опираться на строгий математический расчет уже на стадии аванпроокифования при формировании мнсвостга вариантов. Не применены методы шогокритериалъной оптимизации, исяольэущие разнородные по единицам измерения критерии эффективности. На разработан аппарат формирования исходного «царства вариантов сети в вадо леса деревьев направлений.

2. В работо реиена задача формирования множества вариантов начертания сети. Для этого использованы методы матричной теории графов и комбинаторные методы. Разработана система

кодирования, которая позволнет объять есо множество вариантов и исключает случайную потерю отдельных вариантов. Разработан аппарат формирования допустимого, множества .вариантов как формирование "леса деревьев" направлений. Предложенная методика облегчает решениз многовприантных задач, позволяет математически точно обосновать количество вариантов, расширяет возможности проектироващика в задаче формирования множеств вариантов сети.

О. В диссертации применен для сравнения вчриянтов один из кетодов многокритериальной оптимизации - метод идеальной тел- ■ ш. Этот метод не ограикчитет скбор критериев аф&эктивиости из по количеству, не по качеству, т.е. ¡сритерии эФ']л"К7Леисс?;1 могут быть разнородней! по одинчцчч иомереляя. Цдпистезингч требопгашом, гыдвнгаомта к критешяч, является гозмскность ак количественно измзрать. В ребото гргдламлуа система критериев для оценки эффжгишоези сети пассажирских сообщений и процедура нормализации крятеряео для воэмолскости их сокзморе-ьч!я. Разработан еппзрат для определения весовых коэффициентов критериев оффоктиг-ности. Предложена табличная форма представления для ЛПР результатов оптцмчзацпошшх расчетов, которая, -охватывая болшой сбъзи необходимой информации, дос-тато'зна нпгдядна и создает предпогетки для реализация ШР процедуры лринятчя решения,

4. Предлоэека методология определения стратегии развития пассажирских сообщений. Разработка стратегии развития сети опирается на многоварипктние расчеты с использованием методов теории 1трафо» и многокритериальную оптиыизац1Щ.

5, В работе представлена реализация предложенной методологии формирования и развитая транспортной сети на примере формирования сети ВСМ в Европейской части СНГ. Реализация этой методологии подтвердила ее действенность дако для больших транспортных сетей и открывает широкие перспективы для

ее дальнейшего применения.

6. Работа содержит в качестве приложений программы для персональных компьютеров. Программ позволяют произвести вось расчет по предложенной методологии на персональных компьютерах.

Методология формирования и развития сети пассанирских сообщений, разработанная в диссертации, предлагается для использования при формировании сетей ВС?» в Российской Осдерации и СНГ.

Основные положения диссертации опубликована в работах:

I. Гавриленков A.B., Еиварет Е.А., Шолнн В.В. •

Нормирование множества вариантов направлений яолвзноП дороги при наличии пунктов захода // Трансп. стр-во, 1991, № 6, с. 8 - 9.

Z. Шиварева Б.Л. Использование методов системного анализа при проектировании начертания сотей пассажирских сообщений // Моск. Гос. университет путей сообщения - П., 1992 . - 25 с. - Доп. в ЦНИНТЭИ 1ШС б.Сб.}? 5724.

3. Гавриленков A.B., Маркина Е.А., Киварева Е.А. Формирование множества вариантов железной дороги и их сравнение ка этапе аванпроектирования // Метод, указания для

курс, и дипломн. проектирования / М.: МИИТ. - I9S0. 4, Гавриленков A.B., Быков Ю.А., Подзербшй В.А., Шиварева Е.А.

Многокритериальная оптимизация шсаестпа вариантов яолозной дороги методом идеальной точки // Трансп. стр-во. 1992 г., да б., с. ю - п.