автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Оптимизация оперативного управления перевозочным процессом в условиях развития диспетчерских центров

о

00347 121

На правах рукописи

Оптимшаци&-бперативного управления перевозочным процессом в условиях развития диспетчерских центров

Специальность: 05.22.08 - «Управление процессами перевозок»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 8 МАЙ 2йй9

Москва-2009

003471217

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московском государственном университете путей сообщения» (МИИТ).

Научный консультант: доктор технических наук, профессор А.П.'Батурйн

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Ведущая организация - Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт информатизации и связи на железнодорожном транспорте (ОАО «НИИАС»),

Защита состоится «13» июня 2009 г. в 13 час. 15 мин. на заседании диссертационного Совета Д 218.005.07 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 1504.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан « /$» _ ,1/Л£ 2009 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу Совета университета.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д 218.005.07

Бодюл Валерий Иванович,

доктор технических наук, профессор Грошев Геннадий Максимович,

доктор технических наук, профессор Резер Семён Моисеевич,

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание диспетчерских центров и использование информационных технологий на железнодорожном транспорте создали предпосылки для оптимизации оперативного управления перевозочным процессом. Реализация этих возможностей необходима для более полного удовлетворения рыночного спроса на перевозки, повышения эффективности работы железнодорожного транспорта, успешной конкуренции на рынке железнодорожных перевозок и с другими видами транспорта.

Реальная эксплуатационная обстановка отличается и нередко существенно от нормативных условий разрабатываемых на длительный период плана формирования и графика движения поездов, технологических процессов работы станций, а возникающие при этом трудности могут усугубляться неоптимально принимаемыми решениями оперативным персоналом. В деятельности диспетчеров значительную часть времени занимает фиксация прошедших или происходящих событий, которыми уже невозможно управлять. Часто планируемые иоездопотоки превышают пропускную способность участков, поступающие вагонопотоки больше перерабатывающей способности сортировочных станций, составов формируется больше, чем можно своевременно обеспечить локомотивами и локомотивными бригадами, местные вагоны поступают на станции выгрузки несвоевременно, вследствие чего грузовые фронты простаивают в ожидании вагонов или вагоны - в ожидании подачи и т.д. Многие элементы перевозочного процесса управляются недостаточно оперативно.

Развитие диспетчерских центров, новые условия работы диспетчерского аппарата требуют создания новых принципов и технологии оперативного управления перевозками, обеспечивающих поддержание оптимальных условий работы с достижением высоких количественных и качественных показателей.

В настоящее время в сетевом и дорожных центрах управления перевозками (соответственно ЦУП и ДЦУП) реализована первая очередь их развития -информационно-справочная, в которой автоматизировано предоставление ин-

формации диспетчерам. Это позволило региональным и дорожным диспетчерам получать информацию в реальном времени, но, как и прежде, они недостаточно участвуют в управлении перевозочным процессом. Для изменения характера их работы, необходимы обеспечение их прогнозной информацией о предстоящих событиях и создание принципиально новой технологии оперативного планирования и управления перевозочным процессом.

Целью диссертации является разработка:

- концепции взаимодействия оперативного управления перевозочным процессом и информационных технологий, обеспечивающей переход от информационно-справочного режима работы диспетчерских центров к управляющему;

- теоретических основ и методов планирования и управления поездной и местной работой на основе моделирования элементов перевозочного процесса;

- методов регулирования насыщения участков поездами и распределения поездопотоков на разветвленных полигонах при интенсификации и оптимизации использования пропускной и провозной способности участков.

Объектами исследования являются технология и автоматизированные системы оперативного планирования и управления перевозочным процессом на железнодорожном транспорте.

Предмет диссертационного исследования составляют разработка и реализация научных методов оптимального управления сложной системой на примере перевозочного процесса на железнодорожном транспорте.

В соответствии с целью и задачами исследования на защиту выносятся:

- концепция автоматизации диспетчерского руководства:

• этапы развития диспетчерских центров,

• развитие автоматизированных рабочих мест диспетчеров,

• моделирование элементов перевозочного процесса;

- методология оптимизации процессов:

• управления поездной и местной работой,

• оперативного планирования работы станций;

- технология диспетчерского руководства перевозочным процессом на всех уровнях управления;

- вопросы совершенствования эксплуатационной работы железных дорог.

Научная новизна диссертации состоит в обосновании, разработке и апробации теории оперативного управления перевозочным процессом, которая повышает эффективность оперативного управления за счет моделирования перевозочного процесса, адаптации к реальным событиям, прогнозирования, оптимизации, дополнительных рычагов управления. На основе проведенных исследований:

- установлено, что эффективно управлять такой сложной системой, как железнодорожный транспорт, можно только с помощью моделирования перевозочного процесса, которое позволяет оптимизировать условия движения поездов и повысить эффективность использования пропускной способности;

- предложены и разработаны показатели потока поездов: интенсивность движения, плотность потока поездов и насыщение участка поездами;

- определены закономерности движения поездов на участке и зависимости между скоростью потока поездов, интенсивностью и плотностью его движения;

- установлено влияние насыщения и перенасыщения участка поездами на интенсивность потока поездов;

- разработана методика оптимизации размеров движения на участке и числа «ниток» в графике движения исходя из минимизации времени нахождения поездов на участке и станции в ожидании отправления;

- установлено влияние изменения числа приемо-отправочных путей на станциях участка на максимальную интенсивность движения поездов;

- выявлено влияние несинхронности движения поездов на наличную пропускную способность участка и условия выполнения графика движения;

- разработана методика интенсификации поездопотока на однопутных линиях на основе увеличения непарности движения поездов;

- разработана методика расчета оптимальной плотности потока поездов, при которой достигается максимальная провозная способность участка;

- установлено влияние различной доли соединенных поездов на пропускную и провозную способность направлений;

- установлены причины и выведено аналитическое выражение для расчета разрыва между фактической и теоретической наличной пропускной способностью участка;

- выявлено, что расчет пропускной способности участка надо производить не в разрезе, а на протяжении всего участка, при этом учитывать следование не отдельного (одиночного) поезда, а группы (потока) поездов; плотность потока (насыщение участка поездами); распределение скорости движения, интервалов между поездами и интенсивности потока;

- предложена методика расчета пропускной способности для разветвленного полигона сети железных дорог и распределения поездопотоков;

- обосновано использование сетевых моделей в оперативном планировании и управлении поездной работы, развитии пропускной способности линий;

- разработана методика оптимального уровня загрузки грузовых фронтов;

- предложена система оперативной корректировки плана формирования поездов, которая позволяет адаптировать его к реальной эксплуатационной ситуации и оперативно управлять формированием составов в соответствии с фактическим наличием локомотивов и локомотивных бригад;

- разработана методика определения оптимальной массы поездов исходя из тяговых возможностей, использования пропускной способности участков и организации вагонопотоков;

- разработана методика регулирования вагонного парка на основе разделения сети железных дорог на балансовые зоны по каждому роду порожних вагонов и суточные пояса вокруг пунктов массовой погрузки;

- разработаны модели управления резервом порожних вагонов с учетом различных условий;

- разработана методика развоза местных вагонов исходя из создания оптимальных условий работы грузовых фронтов: своевременной и в установленном количестве подачи вагонов в соответствии с расписанием подач или режимом работы фронтов;

- разработана модель планирования и управления местной работой, использующая потоки на графах, упорядочивающая прибытие местных вагонов на станцию назначения, обеспечивающая максимально возможный размер выгрузки и определяющая требуемый для этого график поступления вагонов.

Практическая значимость:

- создана технология планирования и управления перевозочным процессом на основе моделирования, адаптации к реальной обстановке, оптимизации условий работы участков, станций и грузовых фронтов;

- доказана необходимость и разработана методология изменения характера работы диспетчерского аппарата: вместо фиксирования прошедшей работы -планирование и управление предстоящей;

- разработана методика оптимального насыщения участков поездами и распределения поездопотоков на разветвленных полигонах;

- обоснованы основные этапы развития диспетчерских центров;

- сформулирована этапность повышения веса поездов;

- внедрены новые принципы планирования составообразования, позволившие значительно увеличить глубину и достоверность планов;

- разработана система оперативного управления формированием составов и своевременного обеспечения их локомотивами и локомотивными бригадами;

- разработана автоматизированная система планирования и управления местной работой, исходя не только из наличия местных вагонов, но и создания оптимальных условий работы грузовых фронтов, позволяющая максимально использовать их выгрузочную способность.

Реализация работы отражена в следующих документах:

- Инструктивные указания по организации вагонопотоков на железных дорогах СССР (утверждены МПС СССР 19.04.1982 г.);

- Методика определения экономической эффективности автоматизированных систем управления на железнодорожном транспорте (утверждена МПС СССР 11.06.1985 г.);

- Методические указания по организации перевозок грузов в специализированных вагонах (утверждены МПС СССР 5.06.1986 г.);

- Техническое задание на автоматизированную систему сменно-суточного планирования поездной и грузовой работы железной дороги и ее отделений (утверждено МПС СССР 11.12.1986 г.);

- Положение о диспетчерском руководстве движением поездов (утверждено МПС 17.04.1989 г. № ЦД-4686);

- Методические рекомендации по повышению эффективности перевозок на основе улучшения транспортного обслуживания грузоотправителей и грузополучателей (утверждены МПС СССР 18.12.1989 г.);

- Техническое задание 18761946.17182.101 ,ТЗ- Автоматизированная система управления перевозками грузов на железнодорожном транспорте. Центр управления перевозками МПС Российской Федерации (утверждено Министром путей сообщения РФ 7.02.2000 г.);

- Инструкция о порядке предоставления и использования «окон» для ремонтных и строительно-монтажных работ на железных дорогах Российской Федерации (утверждена МПС РФ 16.11.2001 г. № ЦЦ-862);

- Типовой технологический процесс работы сортировочной станции (утвержден МПС РФ 27.05.2003 г.);

- Положение о диспетчерском управлении движением поездов (утверждено ОАО «РЖД» 14.09.2005 г.).

Апробация работы. Результаты исследования и разработки обсуждались и получили одобрение на:

- Ш Всесоюзной конференции Академии наук СССР «Проблемы хозяйственного освоения зоны Байкало-Амурской магистрали» (Новосибирск, 1981 г.);

- Научно-технической конференции ЦП НТО железнодорожного транспорта по вопросу повышения эффективности эксплуатационной работы железнодорожных направлений (Днепропетровск, 1981 г.);

- Научно-технической конференции ЦП НТО железнодорожного транспорта по вопросу совершенствования методов анализа эксплуатации железных дорог (Тюмень, 1982 г.);

- Научно-технической конференции НИИЖТ по вопросу повышения надежности и эффективности работы железнодорожного транспорта (Новосибирск, 1982 г.);

- Научно-технической конференции ЦП НТО железнодорожного транспорта по вопросу совершенствования организации местной работы на железных дорогах (Ворошиловград, 1983 г.);

- Первой Всесоюзной школе «Прикладные проблемы управления макросистемами» (Москва, 1985 г.);

- Отраслевой научно-технической конференции «Пути совершенствования перевозочного процесса и управления транспортом» (Гомель, 1985 г.);

- Совместном заседании Президиумов Центральных Правлений Научно-технических обществ горного и железнодорожного транспорта (Москва, 19.08.1986 г.);

- Всесоюзном научно-техническом семинаре Всесоюзного Совета Научно-технического общества, Государственного Комитета по науке и технике, Главного управления промышленного железнодорожного транспорта МПС «Совершенствование организации работы на промышленном транспорте» (Киев, 1986 г.);

- Расширенном заседании секции промышленного транспорта научно-технического совета Министерства угольной промышленности СССР с участием работников Госплана и Госснаба СССР, МПС, ВНИИЖТ и Центрогипро-шахта «Опыт кооперированного использования технологического парка вагонов» (Макеевка, 1986 г.);

- Отраслевой научно-технической конференции «Пути совершенствования разработки и организации выполнения графика движения поездов» (Ростов-на-Дону, 1987 г.);

- Отраслевой научно-технической конференции «Повышение эффективности диспетчерского руководства эксплуатационной работой железных дорог» (Ташкент, 1989 г.);

- Сетевом совещании главных инженеров службы перевозок железных дорог и заместителей начальника службы по АСУ (Голицыне, 1999 г.);

- Сетевой школе по изучению опыта эксплуатации автоматизированных систем управления (Новороссийск, 2003 г.);

- Сетевой школе по изучению передового опыта и организации работы на автоматизированном сортировочном комплексе станции Бекасово-Сортировочное (Москва, 2004 г.);

- VI научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, МИИТ, 2005 г.);

- VII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, МИИТ, 2006 г.);

- VIII Международный форум «Высокие технологии XXI века» (Москва, 2007 г.);

- VIII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, МИИТ, 2007 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 84 печатные работы (из них 25 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ), в том числе 3 монографии объемом 65 печатных листов и 8 брошюр.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, 13 глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 372 страницы, в том числе 287 страниц основного текста, 75 рисунков, 16 таблиц, 194 наименования источников и 5 приложений на 38 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы задачи исследования и положения, выносимые на защиту, определены предмет исследования и цель диссертационной работы, изложена сущность научной теории управления перевозочным процессом.

Первый раздел диссертации посвящен анализу отечественного и зарубежного развития теории и практики оперативного управления железнодорожными перевозками, исследованию условий оптимизации перевозочного процесса.

Теория эксплуатации железных дорог начала развиваться в конце 70-х годов ХГХ века. России принадлежит приоритет в решении многих вопросов обеспечения перевозок. Российские и советские ученые и научные работники внесли большой вклад в совершенствование средств и технологии управления перевозочным процессом и, прежде всего A.A. Аветикян, В.М. Акулиничев, В.И. Апатцев, Е.В. Архангельский, С.А. Бабченко, А.П. Батурин, Б.Ф. Безродный, П.Ф. Бестемьянов, К.А. Бернгард, А.Ф. Бородин, В.А. Буянов, A.B. Быка-доров, И.И. Васильев, Д.В. Гавзов, A.B. Горелик, Г.М. Грошев, П.С. Грунтов,

A.B. Дмитренко, Ю.В. Дьяков, Ю.А. Ерохин, М.Т. Иванов, А.Д. Каретников,

B.А. Кобзев, В.Е. Козлов, П.А. Козлов, P.A. Косилов, Ю.А. Кравцов, В.Г. Кузнецов, Г.А. Кузнецов, В.А. Кудрявцев, А.Н. Корешков, Ф.П. Кочнев, В.Ф. Коч-нев, Н.Д. Крюков, Э.К. Лецкий, В.М. Лисенков, A.M. Макарочкин, A.C. Мишарин, В.И. Некрашевич, А.Б. Никитин, Б.О. Овсепян, Ю.О. Пазойский, Б.Э. Пей-сахзон, А.П. Петров, Г.А. Платонов, A.A. Поплавский, Н.В. Правдин, С.М. Ре-зер, Г.Г. Рябцев, В.В. Сапожников, Е.А. Сотников, К.К. Тихонов, Е.М. Тишкин, Л.П. Тулупов, А.К. Угрюмов, А.Н. Фролов, А.Д. Чернюгов, В.А. Шаров, Д.В. Шалягин, И.Н. Шапкин, В.И. Шелухин, М.И. Шмулевич, В.Г. Шубко и другие.

На отечественном железнодорожном транспорте оперативное руководство перевозочным процессом организовано на основе централизованной системы диспетчерского управления. Завершено создание диспетчерских центров

управления перевозками на всех железных дорогах и в ОАО «РЖД». Современное оперативное управление перевозочным процессом на железных дорогах составляют: график движения поездов, организация вагонопотоков, организация работы станций, использование пропускной и провозной способности, местная работа, техническое нормирование перевозок, оперативное планирование эксплуатационной работы, диспетчерское руководство, автоматизированные системы управления и информационные технологии. В диссертации сделан анализ их современного состояния и рассмотрены пути совершенствования.

Созданы все предпосылки для перехода от информационно-справочного этапа развития диспетчерских центров к прогнозному и управляющему этапам, которые связаны с широким применением моделирования эксплуатационной работы. Эффективно управлять такой сложной системой как перевозочный процесс железнодорожного транспорта, невозможно без моделирования, обеспечивающего прогноз эксплуатационной работы. Таким образом, с использованием моделирования в оперативном управлении перевозками связано повышение эффективности деятельности ОАО «РЖД» и удовлетворение рыночного спроса на перевозки.

Отсутствие в настоящее врем я управления многими элементами перевозочного процесса свидетельствует о том, что нормативных и технологических документов недостаточно для создания эффективной системы оперативного управления. Возникающие трудности в эксплуатационной работе железнодорожного транспорта вызваны несоответствием потребностей и возможностей участков, станций, грузовых фронтов, обеспечения составов локомотивами и т.д. Потребности заблаговременно не приводятся в соответствие с возможностями. Основная причина - диспетчерский аппарат преимущественно фиксирует прошедшие и происходящие события, повлиять на которые уже невозможно. Сменно-суточное планирование эксплуатационных показателей в основном исходит не из реальных возможностей станций, отделений, железных дорог, а выполнения нарастающим итогом с начала месяца количественных и качественных показателей.

С созданием диспетчерских центров и широким использованием информационных технологий проявилась необходимость в совершенствовании принципов и технологии оперативного управления перевозочным процессом. При этом следует учитывать противоречия: между потребностями перевозочной работы и возможностями использования участков, станций, грузовых фронтов; нормативными условиями и реальными ситуациями; сменно-суточным планированием, исходящим из выполнения показателей нарастающим итогом за плановый период, и требованиями к оптимальному использованию транспортных средств и устройств; эксплуатационными показателями и финансово-экономическими результатами работы железнодорожного транспорта; применением вычислительной техники для передачи информационно-справочных материалов и возможностями использования ее в диспетчерском руководстве перевозочным процессом для анализа, прогнозирования и оптимального управления; фиксированием диспетчерами прошедших и происходящих событий и управлением предстоящей работой.

Существующие противоречия определили проблему исследования, суть которой состоит в выявлении новых подходов к принципам и совершенствованию технологии оптимального оперативного управления перевозочным процессом на основе моделирования предстоящей работы; решения оптимизационных задач; создания оптимальных условий работы участков, станций, грузовых фронтов; заблаговременного приведения в соответствие потребностей и возможностей.

Второй раздел посвящен развитию диспетчерских центров и автоматизированных рабочих мест диспетчеров, моделированию перевозочного процесса.

На всех железных дорогах и в ОАО «РЖД» созданы оснащенные современной вычислительной техникой центры управления перевозками и местной работой, получили развитие информационные технологии, но нет прогресса в создании систем планирования и принятия решений. Поэтому в диссертации определены этапы развития диспетчерских центров:

Первая очередь (информационно-справочная) - автоматизация сбора информации и отображение поездной ситуации в реальном времени;

Вторая очередь (прогнозная) - моделирование развития эксплуатационной работы на несколько часов вперед;

Третья очередь (управляющая) - автоматизация принятия решений по недопущению затруднений в поездной работе и оптимизации регулировочных мер.

Информационно-справочный этап реализует автоматизацию рутинных операций, т.е. освобождает диспетчеров от сбора и фиксирования информации.

Прогнозный этап предусматривает моделирование развития эксплуатационной работы на несколько часов вперед, что позволит диспетчерам сопоставить возможности и потребности пропуска поездов, переработки вагонов на станциях, обеспечения составов локомотивами и локомотивными бригадами, развоза и выгрузки вагонов и т.д. В процессе сопоставления заблаговременно выявится несоответствие возможностей и потребностей, что в настоящее время и приводит к затруднениям в эксплуатационной работе.

На управляющем этапе развития диспетчерских центров решается основная задача диспетчерского аппарата по приведению в соответствие заблаговременно выявленного несоответствия возможностей и потребностей.

В диссертации сформулированы требования к задачам, которые должны содержаться в АРМ диспетчеров, и определены методы их решения.

Исследования показали, что в таких сложных системах, как железнодорожный транспорт, невозможно организовать оптимальное управление, не имея адекватной математической модели. С помощью моделей работы станций, перегонов, участков, линий, направлений можно планировать предстоящую работу, заблаговременно выявлять затруднения и несоответствия, регулировочными мерами устранять препятствия и вырабатывать управляющие решения.

Весь перевозочный процесс разделен на отдельные процессы и объекты и для них определены первоочередные модели. Среди процессов выделены: накопление составов; регулирование локомотивным парком; организация выгруз-

ки; обеспечение погрузки; управление вагонным парком, движение поездов на участке и разветвленном полигоне. Среди объектов в первую очередь выделены: сортировочные станции и железнодорожные узлы; грузовые фронты, включая крупные промышленные предприятия, порты, погранпереходы; участки и перегоны; локомотивные депо; сеть железных дорог и регионы.

Третий раздел посвящен результатам исследования организации движения поездов на участках и разветвленных полигонах железных дорог, развитию теории и технологии оперативного управления движением поездов, регулированию парком порожних вагонов.

В результате анализа закономерностей организации движения поездов предложено следующим соотношение:

где п - интенсивность движения, поездов/ч; X - плотность потока, поездов/км; V - скорость движения поездов, км/ч.

С ростом плотности потока поездов интенсивность увеличивается до максимального значения, соответствующего наличной пропускной способности участка. Дальнейшее увеличение плотности потока поездов приводит к снижению скорости движения и интенсивности.

О необходимости определения пропускной способности не в разрезе (сечении), а на всем протяжении участка свидетельствует изменение реакции участка на различные размеры движения поездов. Эта реакция прослеживается через взаимосвязь интенсивностей входящего потока поездов и выходящего с участка транзитного потока. Полученная зависимость интенсивностей входя-

п = Лу.

О)

Зэш ршкцьц, г/олсжияепьми чуг>(йз* шпрц^йяньной

Рис. 1. Реакция участка иа изменение интенсивности потока поездов

щего и выходящего потоков приведена на рис. 1. Начальный участок этой зависимости может быть аппроксимирован линейной функцией и соответствует положительной реакции участка на возрастание интенсивности входящего потока поездов, т. е. любое увеличение входящего потока приводит к возрастанию выходящего потока. Участок сохраняет положительную реакцию до тех пор, пока не будет достигнуто состояние насыщения поездами. После этого дальнейшее увеличение интенсивности входящего потока поездов практически не приводит к возрастанию выходящего потока. При достижении состояния перенасыщения любое увеличение интенсивности входящего потока поездов сокращает размер выходящего потока. Последнее обстоятельство имеет место в тех случаях, когда с ростом числа поездов на участке быстро увеличивается плотность их размещения, следование на зеленое показание светофора все чаще сменяется на желтое и красное (рис. 2). В среднем скорость движения поездов на желтый

Л'А Л Ю В к О

ез 71 го

Рис. 2. Зависимость доли (р) блок-участков, пройденных поездами на зеленый (1), желтый (2) и красный (3) сигналы светофоров, от уровня заполнения участка поездами (7).

сигнал светофора на 30%, а на красный - на 60% ниже, чем на зеленое показание светофора. В результате из-за увеличения времени хода и поезда, отправленные на участок (рис. 3), за период времени Т не успевают прибыть на

Рис. 3. Фрагмент графика движения поездов.

конечный пункт за расчетный период. Это имеет большое практическое и теоретическое значение. На рис. 3 показано, что увеличение числа поездов на участке сверх максимального графика не только не способствует увеличению размеров движения, но не позволяет выполнить нормативы графика и ухудшает использование пропускной способности участка.

Поскольку увеличение плотности потока поездов приводит к уменьшению скорости движения, функциональная форма выражения (1) будет иметь вид

«(X) = Ху(Х). (2)

Поддержание оптимальной плотности потока поездов на участках должно стать главной задачей управления поездной работой, что и позволит эффективно использовать пропускную способность инфраструктуры и подвижной состав.

Моделированием движения поездов установлено, что увеличение плотности потока вызывает разницу интервалов между поездами на входе и выходе с участка (рис. 4).

I

кш

К

го 1! т з

Рис. 4. Влияние плотности потока на средний интервал между поездами на входе (1) и выходе (2) с участка.

Исследовано влияние изменения числа приемо-отправочных путей на станциях участка на максимальную интенсивность движения поездов, покажем на примере однопутного участка А-Б, на котором имеется 11 раздельных пунктов (рис. 5). Под каждым раздельным пунктом указано число приемо-отправочных путей. Перегон г-д ■ ограничивающий (лимитирующий пропуск-

ай цю цй дга а,пилИ/т

ную способность). На участке А-Б максимальная интенсивность движения составляет 33 пары поездов. При ликвидации или длительной занятости поездом одного приемо-отправочного пути на станции г максимальная интенсивность движения на участке снизится до 23 пар поездов. Если же исключить из поездной работы один путь на станциях ж. или и, то максимальная интенсивность движения соответственно будет равна 32 или 28 парам поездов, а при одновременном уменьшении числа путей на станциях г и ж составит 23 пары поездов, так же как и при занятии пути только на станции г. Одновременное исключение из поездной работы по одному пути на станциях гид вызовет снижение максимальной интенсивности движения до 20 пар поездов. Если дополнительно закрыть один путь еще и на станции ж, то она не изменится. Из этого анализа видно, как на пропускную способность конкретного участка влияет исключение из поездной работы различного числа приемо-отправочных путей на станциях при плановом ремонте, внезапной неисправности, занятии путей группой вагонов, хозяйственными поездами и др.

Ди<|1м11и1.

Рис. 5. Схема участка Л—Б.

Определено допустимое насыщение участков поездами и установлено, как перенасыщение влияет на эксплуатационную работу. Насыщение участков поездами целесообразно оценивать соотношением вместимости перегонов и приемо-отправочных путей станций (£) и размера вагонного парка (Р), который может одновременно находиться на них: фуЧ = Е/Р.

На рациональное насыщение участков поездами влияют период графика и коэффициент пакетности (на однопутных линиях), интервалы попутного следования (на однопутных и двухпутных линиях), участковая скорость движения грузовых поездов, коэффициенты съема и число пассажирских и сборных поездов. Все это учитывается технически допустимым уровнем загрузки участков у (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость плотности потока грузовых поездов у от размеров пассажирского движения лпс при различном числе сборных поездов исб на однопутном участке.

Как изменяется рациональное число грузовых поездов, которые одновременно могут находиться на участке при различном числе пассажирских поездов, видно на рис. 7. На этом же рисунке показано изменение рационального соотношения вместимости путевого развития и размера вагонного парка в грузовых поездах фРт на однопутном участке в зависимости от размеров пассажирского движения.

Рис. 7. Влияние пассажирских поездов /?м на рациональное количество грузовых поездов п, одновременно находящихся на участке, и на (¡>Р№

Большое практическое значение имеет установление оптимальной загрузки участка поездами, определяемой отношением рационального числа поездов, одновременно находящихся на участке, к максимально возможному. Установлено влияние интенсивности потока поездов и максимально допустимой скорости движения поездов на среднее число поездов, одновременно находящихся на участке (рис. 8), и на загрузку участка (рис. 9). Сплошные и пунктир-

ные линии на рис. 8 и 9 соответствуют интенсивности движения на входе и выходе с участка. На рис. 9 кривая, соединяющая точки начала отклонения интенсивности входящего и выходящего потоков, определяет оптимальную загрузку участка поездами. Как и все результаты моделирования, эти также получены для конкретных условий поездной работы и на других участках могут отличаться.

Рис. 8. Зависимость числа поездов, одновременно находящихся на участке, от интенсивности и максимально допустимой скорости движения.

Рис. 9. Влияние интенсивности и максимально допустимой скорости движения поездов на

загрузку участка.

При разработке графика движения поездов необходимо оптимизировать число "ниток" исходя из минимизации времени нахождения поездов на участке и станции в ожидании отправления

Г = +1 min,

где ter - время ожидания готовыми поездами отправления со станции; - время проследования участка поездами.

Среднее время ожидания поездами отправления со станции равно половине среднего интервала между "нитками" графика t„ = = 1440/2 ¡V = 720/ N.

Зависимость времени хода поездов по участку от числа использованных "ниток" графика аппроксимируется функцией

/„=в Ь\

где а и b - коэффициенты, зависящие от характеристик участка (длины, профиля пути, числа путей на станциях и т. д.).

Для определения оптимального числа "ниток" требуется найти минимум T(N), который определяется решением уравнения T'(N) - 0 или

ab"iab-720/N'=0. (3)

Уравнение (3) является трансцендентным и, следовательно, в общем виде не имеет аналитического решения. Поэтому для его решения использовано имитационное моделирование движения поездов на участке.

На рис. 10 видно, что с увеличением размеров движения возрастают затраты времени па проследование участка поездами, но при этом сокращается время ожидания отправления поездов со станции формирования. Минимум суммарных затрат времени (точка А) определяет оптимальное число "ниток" в графике движения, которые целесообразно использовать. Проекция точки А на ось абсцисс (точка Л i) дает оптимальное распределение между числом используемых Nom и резервных Л'р "ниток" графика движения.

Рис. 10. График функций затрат времени на проследование участка поездами (1), ожидание отправления поездов со станций формирования (2) и суммарных (3).

Исследования процесса накопления составов с помощью моделирования, проведенные на крупнейших сортировочных станциях, показали, что значительное увеличение глубины планирования составообразовання может быть достигнуто за счет перехода к комплексному планированию одновременно на нескольких сортировочных станциях. При этом составообразование планируется в два этапа. На первом этапе план составообразовання составляется, как и прежде, для каждой станции. А на втором этапе план составообразовання каждой станции рассматривается как дальний подход к другим, процесс моделирования продолжается и достигается глубина планирования составообразовання до 30 часов, которая необходима для организации вызова локомотивных бригад под конкретные поезда и повышения достоверности планирования размеров движения поездов на стадии разработки сменно-суточного плана.

В связи с различными нормами веса поездов и длиной составов в четном и нечетном направлениях, преобладанием размеров движения в одном направлении возникает непарность движения поездов на однопутных линиях.

Коэффициент иепарности определяется отношением меньшего числа грузовых поездов на направлении и'ф к числу поездов другого направления п",г

А = и'ф/л"ф, 0<Д <1.

Результаты исследования изменения размеров движения в зависимости от коэффициента непарности /?„ приведены на рис. 11.

Рис. 11. Зависимость размеров движения на однопутных участках щ от коэффициента иепарности $1-

Моделирование процесса прокладки «ниток» в графике движения поездов при изменении значений коэффициента непарности позволило при уменьшении числа поездов в одном направлении использовать возросшие межпоездные интервалы для максимального увеличения числа поездов другого направления.

Общие размеры движения поездов на однопутных участках при различных значениях коэффициента непарности предлагается определять по формулам для параллельного (лр) и непараллельного (ир,,) графиков:

«р = "М) = «м[1 + (24 - 0,73- О (0,95 - р„)2] (4) при Д, < 0,95;

«Зн = «Ф ЛЯ) = «п>[1 + (24 + 2,7'Япс - 0,73-^X0,95 - 0,04-ипс - Д)2] (5)

при 0,95-0,04-Ллс;

п -. 2(1440-/.„К , м (2-^)7^ + (/' + />„'

^гр «М - ^ПС ''.1С - Сс6 /?сб,

где е„с, гсб - коэффициент сьема соответственно пассажирских и сборных поездов; и„с, . число поездов соответственно пассажирских и сборных.

Таким образом, одним из регулировочных мероприятий по интенсификации поездопотока на однопутных линиях является использование непарности движения поездов. Возможность использования непарности движения поездов для повышения общих размеров движения на однопутных участках зависит от числа пассажирских поездов и технических характеристик участка и оценивается на основе формул (4), (5).

На основе исследования условий движения поездов на участках разработаны режимы поездной работы (рис. 12): нормальный (область 1); оптимальный (область 2); утяжеленный (область 3); тяжелый (область 4); аварийный (область 5).

п, поезбсдЦремр

Л, поезЭоб/расстойиие

Рис. 12. Режимы поездной работы.

В зависимости от режима работы диспетчерским аппаратом должны решаться различные задачи управления поездной работой. В нормальном и оптимальном режимах - обеспечение соблюдения установленных нормативов графика движения, предотвращение перенасыщения участков поездами и станций вагонным парком. В утяжеленном и тяжелом режимах - ликвидация перенасыщения участков поездами и восстановление нормального режима. В аварийном режиме - быстрейшая ликвидация и предотвращение распространения сбоя движения поездов.

Для регулирования насыщения участков поездами и распределения поез-допотоков на разветвленных полигонах использованы теория графов и потоки в сетях. На рис. 13 представлена разветвленная сеть железных дорог, пронумерованы станции и указана пропускная способность участков.

_25 К

ч,! змп ^ ^ ао} {

« 10 п

Рис. 13. Граф разветвленного полигона

Максимальная величина потока между станциями 1 и 15 равна 125 поездам. Максимальный поток (пропускная способность полигона) определен с помощью одного из основных понятий теории сетей — разреза. Разрез определяется как множество участков, исключение которых из сети изолирует источник (1) от стока (15). Разрез проходит по участкам с максимальным использованием пропускной способности (штрих-пунктирная линия на рис. 13). Поэтому сумма наличной пропускной способности участков, входящих в разрез, составляет пропускную способность разветвленного полигона сети железных дорог. Это определение имеет большое практическое значение и помогает найти ответы на следующие вопросы:

1. Как изменение наличной пропускной способности отдельных участков влияет на общую пропускную способность полигона сети? Например, повышение наличной пропускной способности участка 1-2 (см. рис. 13) на 35 поездов/сутки обеспечивает соответствующее увеличение общей пропускной способности сети. А повышение наличной пропускной способности других отдельно взятых участков или участка 1-2 больше, чем на 35 поездов/сутки, никакого эффекта не дает.

2. Какие участки являются «узким местом» и лимитируют общую пропускную способность? Эго участки, входящие в разрез.

3. В какой очередности надо увеличивать пропускную способность участков, чтобы возросла общая пропускная способность сети? Начинать всегда надо с участков, составляющих разрез.

В оперативных условиях вследствие временного возрастания потока или уменьшения пропускной способности участков часто весь заданный поток не может быть пропущен по кратчайшему пути. И тогда возникает задача нахождения промежуточной величины заданного потока между общим максимальным потоком (125 поездов/сутки) и следующим только по кратчайшему пути (1-4-8-11-13-15) (60 поездов/сутки). В табл. 1 представлены дополнительные пути следования между станциями 1 и 15 для пропуска потока свыше 60 поездов/сутки.

Таблица 1

Распределение поездопотоков на разветвленном полигоне

Размеры потоков поездов/сут Дополнительные пути следования потоков Лимитирующие участки Увеличение пути следования по сравнению с кратчайшим, км

61-90 1-2-5-9-11-13-15 1-2, 11-13 95

91-110 1-3-7-12-15 1-3, 12-15 170

Ш-115 1-4-3-7-12-13-15 7-12 230

116-120 1-4-3-7-13-15 13-15 250

121-125 1-4-3-7-13-14-15 3-7 310

Таблица 1 может заблаговременно строиться для полигонов дорог и сети и использоваться в оперативном планировании и упраелении поездной работой.

При сменно-суточном планировании с помощью табл. 1 можно проверить:

- не превышает ли заявленная соседними дорогами сдача поездов максимального потока. При превышении часть поездов должна сдаваться по другим междорожным стыкам;

- не превышает ли заявленная соседними дорогами сдача поездов пропускной способности кратчайшего направления. При превышении по табл. 1 выбираются кружные пути направления поездов.

В оперативном управлении при увеличении поездопотока или уменьшении пропускной способности участков (при предоставлении «окон» или других перерывах в движении) заблаговременно можно определять, может ли поездо-поток быгь пропущен по кратчайшему направлению или не превышает ли он максимального потока.

Сформулированы технологические принципы оперативного управления перевозочным процессом:

1) управлять можно только предстоящими событиями, прошедшие и происходящие в настоящее время события можно лишь фиксировать или анализировать;

2) диспетчерский аппарат должен заблаговременно сопоставлять и приводить в соответствие:

- предстоящие размеры движения поездов с пропускной способностью линий;

- подводимый внгонопоток с перерабатывающей способностью сортировочных станций;

- количество н время доставляемых местных вагонов с выгрузочной способностью грузовых фронтов;

- число формируемых составов с наличием локомотивов, локомотивных бригад и «ниток:» графика движения и т.д.

Первый принцип может быть реализован на втором (прогнозном) этапе развития диспетчерских центров. Тогда станет возможным:

- изменить характер работы диспетчерского аппарата: вместо фиксации прошедшей работы - планировать и управлять предстоящей эксплуатационной работой;

- перейти от управления поездной работой на отдельных участках к управлению на разветвленных полигонах и направлениях;

- регулировать насыщение участков поездами и станций вагонным парком;

- заблаговременно «развязывать» узлы, т.е. балансировать прибытие поездов, расформирование, составообразование, обеспечение составов локомотивами и локомотивными бригадами, отправление поездов;

- при необходимости перераспределять сортировочную работу между станциями;

- обеспечить своевременное поступление местных вагонов на станции назначения и максимально использовать выгрузочные способности грузовых фронтов.

Второй принцип определяет основные технологические задачи диспетчерского аппарата. Первая часть этого принципа - «сопоставление» может быть реализована на втором (прогнозном) этапе развития центров управления, а задачи «по приведению в соответствие» - на третьем (управляющем) этапе развития.

Для реализации сформулированных в диссертации задач по регулированию насыщения участков поездами и станций вагонным парком разработана технология работы дорожных диспетчеров. Предложено в графиках исполненного движения не дублировать «пониточное» следование поездов, которое сохраняется на уровне поездного диспетчера. В соответствии с агрегированием информации на разных уровнях управления для дорожного диспетчера разработан бланк графика исполненных поездопотоков. Подход поездов к участкам прогнозируется с помощью «часовых периодов». На основе такого прогнозирования дорожный диспетчер получил возможность регулировать насыщение участков поездами.

Современный технологический процесс работы сортировочной станции содержит две важнейшие составляющие: последовательность операций и нормы времени на их выполнение. Установлено, что для соблюдения этих двух составляющих необходима третья составляющая - создание оптимальных условий работы. Для создания оптимальных условий работы сортировочных станций разработана технология работы дорожных диспетчеров, предусматривающая балансирование или приведение в соответствие размеров поступления, расформирования составов, составообразования, обеспечения составов локомотивами и локомотивными бригадами, отправления поездов. Предусмотрено выявление «узких мест», замедляющих или уменьшающих объем переработки вагонов, Для их устранения предложен набор регулировочных мер. При необходимости предусмотрено перераспределение сортировочной работы между техническими станциями.

Для своевременного обеспечения составов локомотивами разработан балансовый метод регулирования локомотивного парка. Целевая функция минимизирует простой составов в ожидании отправления, резервный пробег локомотивов, простой локомотивов в ожидании составов. Е> соответствии с планом составообразования балансируется прибытие и отправление поездов по всем станциям участка обращения локомотивов на планируемый период, прикрепление локомотивов к составам и «ниткам» графика движения начинается со стан-

ций, имеющих избыток локомотивов, затем имеющих их недостаток. Для сокращения локомотиво- и вагоно-часов рассматриваются варианты перекрепления локомотивов к другим составам и «ниткам» графика движения.

Одна из задач оперативного управления перевозочным процессом - обеспечение погрузки порожними вагонами. Процесс регулирования вагонного парка предлагается организовать на основе разделения сети железных дорог на балансовые зоны по каждому роду порожних вагонов и суточные пояса вокруг пунктов массовой погрузки.

Математическая постановка задачи определения балансовых зон для каждого типа порожних вагонов предполагает, что на транспортной сети находится п станций, на каждой из которых имеется избыток т} порожних вагонов определенного рода (/ е {1,2,..., и}), и к районов и пунктов массовой погрузки грузов с потребностью А// порожних вагонов определенного рода (/ е (1, 2, и}). Количество порожних вагонов каждого рода на станциях избытка не меньше суммарной потребности в них в пунктах массовой погрузки. На транспортной сети для дуг, соединяющих любые две соседние станции, известны расстояние, участковая скорость следования поездов и пропускная способность, которые зависят от технического оснащения и уровня загрузки участков.

Разбиению всей сети железных дорог на балансовые зоны по каждому роду порожних вагонов соответствует решение следующей оптимизационной задачи:

к

I (6)

У><,«;, уе{у,}; (7)

к

к

(8)

I =

(9)

У ул, (Ю)

1,п1е{ч) ' = ¿у,5"*0

где в качестве целевой функции принята минимизация суммарного пробега порожних вагонов до пунктов массовой погрузки на сети (6) со следующими ограничениями: сумма порожних вагонов, отправленных со станциине превышает имеющегося на ней избытка (7); избыток порожних вагонов на станциях сети равен их потребности в пунктах массовой погрузки (8); то же для каждой балансовой зоны (9); наличная пропускная способность участков следования порожних вагонов не меньше потребной (10).

Сформулирована задача прикрепления пунктов избытка и недостатка порожних вагонов на сети железных дорог, минимизирующая расходы на их перемещение.

Планировать использование вагонов предлагается на протяжении такого числа циклов оборота вагона, которое соответствует периоду планирования перевозок. Регулирование парка порожних вагонов должно включать планирование их образования, обеспечения поступления на дороги выгрузки в размере технического плана, управление погрузкой по дорогам назначения.

Регулировать парк порожних вагонов необходимо на основе технико-экономических расчетов. Критериями могут быть: минимум порожнего пробега (эксплуатационных расходов); максимум размера погрузки (вагонов, тонн); максимум получения доходов (провозной тариф); приоритетное обеспечение погрузки определенных грузов, районной погрузки или завоза грузов в определенные регионы.

В четвертой главе «Совершенствование технологии эксплуатационной работы» определены направления развития организации вагонопотоков, комплексного использования пропускной и провозной способности участков, автоматизации планирования и управления местной работой.

При несоответствии числа формируемых составов и необходимого количества локомотивов и локомотивных бригад; затруднениях со своевременной переработкой вагонопотоков, отправлении составов со станции; значительным

Таблица 2

Причины и методы

№№ п/п Прогнозирование затруднений и эксплуатационной работе Оперативная корректировка плана формирования Ожидаемый результат Эффективность

1. Часть составов не обеспечена локомотивами в планируемом периоде Формирование дополнительных более дальних назначений поездов Временное уменьшение числа формируемых составов Сокращение простоя составов в ожидании локомотивов

2. Снижение размеров движения на прилегающих участках Формирование дополнительных более дальних назначений поездов Приведение в соответствие числа формируемых составов и возможностей их. отправления Сокращение простоя составов в ожидании отправления

3. Станция не обеспечивает своевременную переработку вагонопотоков а) За счет перераспределения вагонопотоков между назначениями поездов; б) Формирование маршрутов из порожних загонов на блихтежащих грузовых станциях Снижение объема переработки на станции, испытывающей затруднения Своевременная переработка вагонов на станции

4. Сгущение выгрузки вагонов в один из периодов суток Рассмотрение целесообразности маршрутизации в период сгущенной выгрузки Повышение уров ня маршрутизации порожних вагонопотоков Повышение транзитное™ и ускорение оборота вагона

Значительное отклонение прогнозируемого порожнего ваго-нопотока от расчетного среднесуточного значения При снижении вагонопо-тока ниже минимальной величины К™ - отмена маршрутизации, при соответствующем возрастании - ввод маршрутизации Повышение уровня и эффективности маршрутизации Повышение транзитаости и ускорение оборота вагона

6. Уменьшение объема роспуска составов на горке из-за низкой Температуры и других причин Формирование маршрутов из порожних нагонов на близлежащих грузовых станциях Снижение объема переработки на горке Сокращение задержек в ожидании роспуска с горки

увеличением или уменьшением мощности вагонопотоков - эффективным способом управления перевозочным процессом является оперативная корректировка плана формирования (табл. 2).

Если для своевременного обеспечения составов нет необходимого количества локомотивов или локомотивных бригад, то управление формированием

требуемого числа составов на станции достигается временным назначением более дальних составов при выполнении условия

ЫТэ^т'АТ:»:

А(яемы+ £йбрСмь. __ +---->ап

е„н

где N - среднесуточный размер струи вагонопотока; Т,к ~ обиш экономия времени, приведенная на один вагон, при пропуске потока N без переработки на станции; ст - затраты на накопление составов; т' - число вагонов, простой которых на станции в ожидании отправления будет сокращен; - время, на которое сокращается простой вагона; А<„ 1\1бр - сокращение времени простоя соответственно локомотивов и локомотивных бригад; емц, ¿ин, е„и -расходные ставки приведенной стоимости соответственно 1 локомотиво-ч, 1 бригадо-ч, 1 ва-гоно-ч.

При временном необеспечении своевременной переработки вагонов на станции предлагается в такой период повысить транзитность вагонопотоков за счет перераспределения вагонов между смежными струями вагонопотоков благодаря некоторому разукрупнению более дальнего назначения для пополнения короткой струи и выделения ее в отдельное назначение при выполнении условия

(*-!) + - д " '

ст,

где Л^д - струя вагонопотока, удовлетворяющая достаточному условию; N. - размер струи I, пополняемой вагонами назначения N^; . - получаемая или ликвидируемая приведенная экономия вагоно-часов при пропуске вагонопотока I без переработки на станции;

А Г неД • >

ТУ - недостаток вагонов в струе I для выполнения достаточного условия; к - число дополнительных назначений поездов.

Причем для пополнения могут использоваться струи вагонопотоков, первоначально удовлетворяющие достаточному условию, но у которых избыток вагонов меньше недостатка в смежной струе. Это объясняется тем, что уменьшение дальней струи вагонопотока К\ для пополнения ближней струи на ЛУед в достаточном условии выгодности выделения Л^:

(м-^Г)г?,*

ЕгЖ1

одинаково влияет на изменение величин правой и левой частей неравенств, не меняя их соотношения.

Если среднесуточ ного размера порожнего вагонопотока недостаточно для маршрутизации со станции выгрузки, то можно рассматривать не суточный период, а отдельные его части. Тогда количество вагонов, выгружаемых во второй половине суток, может оказаться достаточным для маршрутизации

2 Л'„ (1 - Ур)(ЕГэ. + 2Т„М + Гназн) г спт„,

где Л'п - суточный размер с:груи порожнего вагонопотока; ур - коэффициент ритмичности выгрузки, который зависит от среднесуточной выгрузки вагонов Л'вьтр; ~£ТМ - общая экономия времени при пропуске вагонопотока без переработки на попутных технических станциях, ч/вагон; - приведенная экономия времени в пути следования при маршрутизации порожнего вагонопотока, ч/вмон; <им„ - экономия на станции погрузки при поступлении порожних вагонов маршрутами, ч/вагон; с„ - параметр накопления порожних вагонов; ш„ - состав порожнего маршрута, нагоны.

Таким образом, при несоответствии суточного размера порожнего вагонопотока условию маршрутизации можно рассматривать часть образуемых порожних вагонов, простой которых под накоплением не превышает получаемую от маршрутизации экономию вагоно-часов. Т.е. можно рассматривать маршрутизацию только в период сгущенной выгрузки.

План формирования, разработанный на длительный период, в связи с колебаниями размеров струй вагонопотоков в отдельные сутки не обеспечивает оптимальной организации вагонопотоков. В результате исследования колебаний размеров порожних вагонопотоков построена номограмма для определения целесообразности их маршрутизации (рис. 15) при сменно-суточном планировании.

Рис 15. Номограмма для определения порожнего вагонопотока, который с учетом его колебаний целесообразно маршрутизировать.

При высокой загрузке использования пропускной способности и необходимости дальнейшего увеличения размеров движения эффективным средством является повышение веса поездов. На основе анализа накопленного на железных дорогах опыта сформулировано 4 этапа повышения веса поездов.

Необходимость повышения веса поездов особенно остро встает, когда полностью исчерпана наличная пропускная способность участка и дальнейший рост интенсивности потока поездов не обеспечивает увеличения размеров движения. После достижении максимальной интенсивности потока поездов дальнейшее увеличение отправления поездов на участок приводит к уменьшению скорости их движения и высвобождению мощности локомотивов, которая может быть использована для повышения веса поездов. Повышение веса поездов при достижении максимальной интенсивности движения потока позволяет увеличивать провозную способность участка. При этом С>6рср(0„), > (у*), \\ (>',Р), где (}„ - весовая норма поездов.

Зависимость (/рср(<2н) имеет тенденцию к насыщению, т. е. к достижению такого £2„, при котором средний вес поезда, ограниченный длиной станционных путей, достигает определенного не изменяющегося значения. Зависимость ббрср(£?н) определяется структурой грузопотоков и вагонов, длиной станционных приемо-отправочных путей и строится для каждого отдельно взятого участка. В формуле провозной способности участка

г = Зб5у;.2ерсР<?.

где (3%, - средний вес брутто поезда, т; ф - соотношение веса поезда нетто и брутто (в современных условиях ф = 0,76), максимальное значение провозной способности достигается наибольшим значением произведения v■¡2бpcp(2и)•

Зависимость провозной способности участка от изменения этого произведения (рис. 16) показыЕ;ает, что увеличение среднего веса поезда и соответст-

9 Ш Ш Ш Шв?' о '

Рис. 16. Зависимость провозной способности участка от весовой нормы поездов.

венно весовой нормы дает больший эффект от прироста провозной способности, чем потери от уменьшения при этом скорости движения поездов. При дальнейшем увеличении весовой нормы потери от уменьшения скорости превышают прирост провозной способности от повышения среднего веса поезда. Таким образом, при высоком уровне использования пропускной способности несмотря на уменьшение скорости движения поездов есть возможность повысить их средний вес, а вместе с ним и провозную способность, обеспечив освоение возрастающего объема перевозок.

Для комплексной характеристики использования локомотивов и длины станционных путей предложены показатели: нагрузка вагона на 1 м длины путей р (т/м) и повагонная .у нагрузка (т/1 вагон). Указанные нагрузки могут быть определены как для поездов отдельных назначений /?ср, дч„ так и для направлений в целом рн, qк.

Соотношения рср1р„ и определяют использование норм длины и веса поездов каждого назначения (рис. 17).

п. о, «и т Юг

0 Ц 9?,т/ца1ояй

Рис. 17. Зависимость средних значений длины тср и массы поездов <2ср от их норм и средней

повагонной нагрузки.

Для нахождения оптимальной плотности потока поездов Хпр0!,тах, максимизирующей значение интенсивности потока поездов, находится первая производная функции (2) и приравнивается нулю:

п'(Л) = [Яу(Я)]' = у(Я) + Ли'(Л) = 0.

Используя формулу (2), представим провозную способность участка

Г= = 365МХ)е6рсрКХ)]ф.

Максимум провозной способности достигается при плотности потока поездов, при которой Г'(\) = 0, т. е.

МХ)Хе6рсрМХ)]}' = 0.

Дифференцируя левую часть, получим

у'(Я)Яе6рсР[у(Я)]+у(А)еб%[у(А)]+ у(А)А0%[у(А)]у'(Я) = 0, (11) где V (X) - определяется в зависимости от вероятности и распределения скоростей движения на различные показания светофоров.

Корень уравнения (34) определяет то значение плотности потока поездов, при котором достигается максимальная провозная способность участка.

Несмотря на накопленный опыт, еще и сегодня нетривиален вопрос: как определить эффект от вождения соединенных поездов? Так как необходимость вождения соединенных поездов возникает при полном использовании пропускной способности, то прежде всего исследовалась область максимальной интенсивности потока поездов. Наиболее полно условия эксплуатационной работы и

использование пропускной способности участка отражены на графике (рис. 18), характеризующем зависимость интенсивности потока поездов от плотности по-ездопотока при различной доле соединенных поездов.

С,10 1,14 0,11 Х,ПС1М/ЯМ Рис. 18. Диаграмма поездопотока при различной доле соединенных поездов.

Каждой кривой на рис. 18 соответствует различная структура поездопо-

тока:

Номер кривой на рис. 18 [1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Число составов, соединенных в поезд | 1 2 3 5

Доля соединенных поездов, % | 0 5 10 20 40 5 10 20 40 5 10 20

Моделирование движения поездопотока различной структуры позволило во всем диапазоне значений возможного насыщения участка поездами рассмотреть изменение интенсивности движения и провозной способности участка при различной доле соединенных поездов. Установлено, что увеличение числа одинарных составов, объединенных в один поезд, сокращает наличную пропускную способность участка. Так, при одинаковой доле соединенных поездов, равной 10%, вождение строенных по сравнению с организацией движения сдвоенных поездов снижает наличную пропускную способность на четыре поезда, а вождение пяти составов, соединенных вместе, - на 9 поездов. Кроме того, увеличение доли соединенных поездов также сокращает наличную пропускную способность. Графически эта зависимость представлена в правой части номограммы на рис. 19. В ленок части этой номограммы показано влияние органи-

зации движения соединенных поездов на использование провозной способности («'). Номограмма на рис. 19 позволяет установить влияние различной доли соединенных поездов на наличную пропускную способность и использование провозной способности. При максимальной интенсивности движения на участке 122 поезда в сутки вождение 20 % сдвоенных снижает наличную пропускную способность на 1,5, а 20% строенных - на 8,5 поезда в сутки, но при этом провозная способность увеличивается для среднесетевых условий соответственно на 11,4 млн. и 24,5 млн. т грузов в год, или на 19 и 41 одинарный состав в сутки.

Рис. ¡9. Номограмма для определения провозной способности (в одиночных составах) в зависимости от доли соединенных поездов а: 1,1 — из двух, 2 2 — т трех, 33' — из пяти составов.

На участках, исчерпавших пропускную способность, целесообразна организация вождения соединенных поездов, иначе для освоения возрастающих размеров движения требуется усиление технического оснащения или строительство новой линии. При максимальной интенсивности движения поездов на участке вождение соединенных поездов несколько снижает наличную пропускную способность, но значительно увеличиваег провозную. Степень изменения пропускной и провозной способности зависит от числа объединяемых составов и доли соединенных поездов от общих размеров движения. В условиях оптимального использования пропускной способности целесообразность регулярного вождения соединенных поездов должна обосновываться технико-

экономическими расчетами. В случаях недоиспользования пропускной способности организация движения соединенных поездов может быть рекомендована только как временная мера в период "окон" илн временного увеличения размеров движения.

В связи со значительным сокращением объема перевозок в 90-е годы произошло распыление грузовой работы на неоправданно большом числе грузовых станций. Около 50% станций (с размером грузовой работы менее 3 вагонов в сутки) - убыточны. При сокращении числа локомотивов, используемых на местной и маневровой работе, возрос простой вагонов на грузовых станциях. Для решения возникших проблем необходимы: концентрация грузовой работы на меньшем числе станций (с закрытием для грузовой работы до 30% станций), календарное планирование погрузки (с работой малодеятельных станций от одного до пяти дней в неделю).

В условиях централизации оперативного управления перевозочным процессом и концентрации диспетчерского аппарата в ДЦУП потребовалось создание новой структуры диспетчерского руководства местной работой. Важным звеном этой структуры стали центры управления местной работой (ЦУМР).

Разработанная технология оперативного управления местной работой подчинена единой цели - созданию оптимальных условий работы грузовых фронтов, которые характеризуются своевременным прибытием местных вагонов на станции погрузки и выгрузки и наличием необходимого числа вагонов к установленному времени подачи. Такая технология, объединяющая общими целями и задачами диспетчерский аппарат на всех уровнях управления, позволяет организовать передачу местных вагонов «по эстафете» и управлять погрузкой с учетом возможностей последующей выгрузки и предстоящего образования порожних вагонов.

Для автоматизированного планирования и управления местной работой создана модель, использ> ющая потоки на графах. Программа выполнения расчетов на ЭВМ приводит к упорядочению прибытие потока местных вагонов на

станции выгрузки с тем, чтобы своевременно и в необходимом количестве подавать вагоны на грузовые фронты.

В математической постановке такая задача сформулирована в терминах распределения потоков на графах. Для нахождения экстремума функционала

F = min {М, Р} (35)

при отношении

М>Р; М = Р; М<Р. где М - наличие местных вагонов, Р - выгрузочная способность грузового фронта.

Для реализации функционала (35) разработан алгоритм, в котором приняты следующие обозначения: S- прогноз поступления местных вагонов (исток графа); Т- расписание подачи вагонов на грузовые фронты (сток графа); i,j, к -вершины соответственно первой, второй и третьей долей графа; N - поток вагонов на дугах между долями графа; Ns, - прогнозный поток прибытия вагонов на станцию; Л^, - максимальное число вагонов в подаче на грузовой фронт; /ф -текущее время наиболее позднего прибытия вагонов ка станцию для использования в определенной подаче на грузовой фронт; tH - время подачи вагонов на грузовой фронт; /тск„ - технологическое время от прибытия вагонов на станцию до подачи на грузовой фронт.

Алгоритм выполнения расчетов приводит к упорядочению прибытие потока вагонов на станцию с тем, чтобы обеспечить максимально возможный размер выгрузки, и определяет требуемый для этого график их поступления. Оптимальному графику поступления вагонов на станцию соответствует нахождение «весов» вершин второй доли графа (рис. 20):

1. Положим i-k= 1,у' = 0.

2. Если Nsl < Nti, то идти к п.4; если N = N к г. то - к п.5; если, Nsl > N »г то - к

п.З.

3. Вычислим N„ = Nti-Na; j=j +1; Лг.. = Nкт; t, = tnin{i(, t„-tnm }; k=k+1.

Если к > ки , то идти к п. 6, иначе - к п. 2.

4. Вычислим NlT=NkT-Nii:j=j+\- NV=N,, t,

5. i = Если /> i , то идти к п.6, иначе - к п.2.

6. Вычислим/**/ + 1; /V.. = , = ггнп^.г,-/^}; к~-к+[. Если к>к!Ш, то идти к п.6, иначе /'= /+1. Если г > /ш, то идти к п.6, иначе - к п.2.

7. Составляем график поаупления вагонов на станцию для всех значений / и к,

=т{((,7г/Я1). Останов.

лрхЗълт мпжм ил «тате»:

>*&мд>м< {««тгима-хиом « панЬьтов Риме»«* яемчя мгеивв «мотж «4ыаииш ни I руямок

Рис. 20. Потоковая модель оптимизации прибытия местных вагонов на станцию.

Таблица 3

Входная и выходная информация для оперативного планирования местной работы

Прогноз прибытия Расписание подач Результат планирования

ЛУЙ п/п Дата Время Число вагонов №№ п/п Дата Время Число вагонов №№ п/п Дата Время Число вагонов

1 5.10.2005 17:30 30 1 5.10.2005 20:00 40 1 5.10.2005 17:30 30

2 5.10.2005 21:00 15 2 6.10.2005 00:00 20 2 5.10.2005 18:00 10

3 6.10.2005 02:00 10 3 6.10.2005 04:00 20 3 5.10.2005 21:00 5

4 6.10.2005 07:00 40 4 6.10.2005 08:00 40 4 5.10.2005 22:00 10

5 6.10.2005 08:00 15 5 6.10.2005 12:00 40 5 5.10.2005 22:00 5

6 6.10.2005 10:00 20 6 6.10.2005 16:00 60 6 6.10.2005 02:00 20

7 6.10.2005 11:00 50 7 6.10.2005 06:00 15

8 6.10.2005 12:00 40 п 8 6.10.2005 06:00 15

9 6.10.2005 06:00 10

10 6.10.2005 10:00 10

11 6.10.2005 10:00 30

12 6.10.2005 11:00 20

13 6.10.2005 12:00 40

В результате автоматизации оперативного планирования местной и грузовой работы разрабатывается оперативный план развоза местных вагонов

по станциям и подачи их на грузовые фронты. В таблице 4 представлено «окно» на экране монитора автоматизированного рабочего места диспетчера - ва-гонораспорядителя с исходными данными и полученными результатами оптимизации подвода вагонов под выгрузку на станцию назначения. Аналогично представляются результаты расчета требуемого времени отправления местных вагонов с технических станций, корректировки плана формирования и графика движения местных поездов.

Такой план включает технологию формирования и график движения поездов с местными вагонами и позволяет контролировать ход его выполнения. Вагоны, поданные на грузовые фронты с полными сроками на выполнение грузовых операций до конца смены или суток, составляют планируемый размер выгрузки за соответствующий период времени. Дополнительно поступающие в течение суток местные вагоны используются для заполнения неполных подач на грузовые фронты.

Заключение

Выполненные исследования и их практическая реализация позволили получить следующие результаты:

1. Реальная эксплуатационная обстановка отличается, и нередко существенно, от нормативных условий плана формирования и графика движения поездов, технологических процессов работы станций, а возникающие при этом трудности в эксплуатационной работе часто усугубляются неоптимально принимаемыми оперативным персоналом решениями.

2. На основании научного обобщения результатов анализа существующих методов руководства эксплуатационной работой, тенденций развития теории и практики исследованы две группы вопросов в области дальнейшего совершенствования оперативного управления перевозочным процессом:

- развитие диспетчерских центров и автоматизированных рабочих мест диспетчеров с целью более полного использования их потенциальных возможностей;

- совершенствование технологии оперативного планирования и управления перевозочным процессом на основе развития теории и методов оптимизации эксплуатационной работы.

3. Определены основные этапы развития диспетчерских центров:

информационно-спразочный - автоматизация сбора информации и отображение поездной ситуации;

прогнозный - моделирование развития предстоящей эксплуатационной работы;

управляющий - автоматизация принятия решений по приведению в соответствие потребностей и возможностей в перевозках.

4. Установлено, что АРМ диспетчера дополнительно должен содержать блоки: моделирования работы станций, участков, разветвленных полигонов и элементов перевозочного процесса; решения оптимизационных задач по выбору очередности обслуживания и эффективности использования технических средств; автоматизированного регулирования ресурсами и загрузкой различных устройств; выполнения различных расчетов; анализа эксплуатационной работы; прогнозирования развития эксплуатационной работы; регулировочных мероприятий и критериев принятия решений; обеспечения безопасности движения.

5. Основными задачами диспетчерского аппарата определены на прогнозном этапе - заблаговременное сопоставление и на управляющем этапе -заблаговременное приведение в соответствие:

- предстоящих размеров движения поездов с пропускной способностью линий;

- подводимого вагонопотока с перерабатывающей способностью сортировочных станций;

- количества и времени доставки местных вагонов с выгрузочной способностью грузовых фронтов;

- числа формируемых составов с возможностями обеспечения их локомотивами, локомотивными бригадами и «нитками» графика движения.

6. Для более полной характеристики организации движения поездов и качественного состояния потока поездов предложены следующие показатели: интенсивность движения, плотность потока поездов, насыщение участка поездами. Исследованы и установлены закономерности различного насыщения участков поездами, которые описаны зависимостями между скоростью потока поездов, интенсивностью и плотностью его движения. Для практического использования результатов исследования предложены режимы поездной работы, в соответствии с которыми определены цели и задачи диспетчерского аппарата.

7. Установлено, что существующие формулы расчета наличной пропускной способности действительны только при невысокой загрузке участка. При высокой загрузке участка поездами возникает разрыв между фактической и расчетной пропускной способностью. Разработана методика расчета наличной пропускной способности с помощью моделирования движения поездов на участке.

8. Повышение эффективности управления перевозочным процессом связано с моделированием. Разработаны и апробированы прогнозные и управляющие модели: накопления составов, регулирования локомотивного парка, движения поездов на участке, поездопотоков на разветвленных полигонах, планирования пропуска поездов, организации выгрузка, управления вагонным парком, работы транспортных узлов.

9. К двум составляющим современной технологии управления перевозочным процессом (последовательность операций и нормы времени их выполнения) предложена третья составляющая - создание оптимальных условий, которая позволяют достигнуть максимальных количественных и качественных показателей. Для создания оптимальных условий эксплуатационной работы разработаны методики регулирования насыщения участков поездами и станций вагонным парком. Для создания оптимальных условий работы грузовых фронтов разработаны методика и программа выполнения расчетов на ЭВМ для своевременной и в необходимом количестве доставки местных вагонов на гру-

зовые станции. Основной обязанностью более высоких уровней диспетчерского руководства определено создание на нижерасположенных уровнях оптимальных условий эксплуатационной работы, которые обеспечивают эффективное использование подвижного состава, пропускной, перерабатывающей и выгрузочной способности соответственно участков, станций и грузовых фронтов.

10. С помощью моделирования процесса накопления установлены этапы повышения глубины достоверного плана составообразования глубиной. Существенного увеличить глубину планирования составообразования позволяет переход к комплексному процессу планирования составообразования одновременно на нескольких сортировочных станциях.

И. Разработана технология управления поездной работой на дорожном уровне, в соответствии с которой основной обязанностью дорожных диспетчеров является создание оптимальных условий работы участков путем регулирования насыщения их поездами и сортировочных станций с помощью заблаговременной «развязки» железнодорожных узлов.

Для перехода от управления поездной работой на участках к управлению на направлениях и разветвленных полигонах на дорожном и сетевом уровнях введено понятие пропускной способности отделения, железной дороги и любого разветвленного полигона сети железных дорог, дана методика ее определения. Даны практические рекомендации использования сетевых моделей в оперативном планировании и управлении поездной работы, развитии пропускной способности линий.

12. Разработана система оперативной корректировки плана формирования поездов, которая позволяет адаптировать его к реальной эксплуатационной ситуации и оперативно управлять формированием составов в соответствии с фактическим наличием локомотивов и локомотивных бригад.

13. Разработана методика регулирования вагонного парка на основе разделения сети железных дорог на балансовые зоны по каждому роду порожних вагонов и суточные пояса вокруг пунктов массовой погрузки. Сформулированы оптимизационные задачи определения границ балансовых зон и

поясов, прикрепления пунктов избытка и недостатка порожних вагонов с учетом различного времени следования между пунктами.

14. Результаты исследований и разработанные на их основе принципы и методы позволяют поэтапно интегрировать разрозненные звенья диспетчерского руководства и отдельные элементы эксплуатационной работы в единую, сквозную технологию оперативного управления перевозным процессом. Научные положения и практические рекомендации получили внедрение на сети железных дорог в Инструкциях, Инструктивных указаниях, Методических рекомендациях и указаниях МПС и ОАО «РЖД», Положениях, Типовых технологических процессах. Внедрение рекомендаций только на Московской железной дороге дало подтвержденный экономический эффект более 50 млн. рублей в год.

Основные результаты диссертации опубликованы а следующих работах:

1. Левин Д.Ю. Методы регулирования движения поездов // Железнодорожный транспорт. 1976, № 9, с. 28-30 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

2. Левин Д.Ю. Интенсификация работы сортировочных станций // Железнодорожный транспорт. 1978, № 12, с. 74-75 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

3. Левин Д.Ю. Обеспечение порожними вагонами дорог массовой погрузки // Железнодорожный транспорт. 1980, № 9, с. 50-54 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

4. Левин Д.Ю. Совершенствование методов регулирования вагонного парка // Железнодорожный транспорт. 1983, № 4, с. 44-47 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

5. Левин Д.Ю. Определение оптимальной величины резерва порожних вагонов // Сборник трудов ЛИИЖТ. 1982, с. 89-102.

6. Волков В.А., Левин Д.Ю., Лерман В.Д. Совершенствование эксплуатации железных дорог. М. Транспорт. 1984, 208 с.

7. Левин Д.Ю. Метод интенсификации провозной способности линии // Железнодорожный транспорт. 1985, № 3, с. 56-57 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

8. Левин Д.Ю. Оптимизация перевозочного процесса на железнодорожном транспорте. М. Транспорт. 1985, 57 с.

9. Левин Д.Ю. Кооперированное использование вагонов // Железнодорожный транспорт. 1986, № 10, с. 78-79 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

10. Левин Д.Ю. Разработка и выполнение графика движения поездов // Железнодорожный транспорт. 1987, № 12, с. 60-61 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

11. Левин Д.Ю. Оптимизация потоков поездов. М. Транспорт. 1988,175 с.

12. Левин Д.Ю. Оперативное планирование поездной и грузовой работы. Сборник научных трудов ВНИИЖТ «Интенсификация перевозок грузов на железнодорожном транспорте». М. Транспорт. 1989, с. 4-21.

13. Левин Д.Ю., Флейшман Д.Г. Организация накопления поездов и маршрутов в условиях интенсификации перевозочного процесса. М. Транспорт. 1991,44 с.

14. Левин Д.Ю. Гибкая технология оперативного управления перевозками // Железнодорожный транспорт. 2000, № 7, с. 24-28 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

15. Левин Д.Ю. Пекл ов В.Л. Составообразование. Метод планирования и управления // Железнодорожный транспорт. 2001, № 3, с. 53-55 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

16. Левин Д.Ю., Суржин К.В. Автоматизация планирования пропуска поездов // Железнодорожный транспорт. 2002, № 2, с. 41-43 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

17. Ребец В.И., Л :вин Д.Ю. Оптимизация оперативного управления // Железнодорожный транспорт. 2003, № 1, с. 14-23 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

18. Левин Д.Ю. Современные принципы и технология оперативного управления поездной работой // Железнодорожный транспорт. 2004, № 4, с. 2733 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

19. Левин Д.Ю. Важная часть общей структуры диспетчерского руководства // Железнодорожный транспорт. 2004, № 7, с. 34-37 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

20. Левин Д.Ю. Диспетчерские центры и технология управления перевозочным процессом. УМЦ. М. Маршрут. 2005, 759 с.

21. Левин Д.Ю. Как повысить эффективность работы дорожных диспетчеров // Железнодорожный транспорт. 2006, № 10, с. 12-16 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

22. Левин Д.Ю. Перевозочному процессу - единую сквозную технологию управления // Железнодорожный транспорт. 2007, № 3, с. 12-17 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

23. Левин Д.Ю. Как повысить эффективность работы поездного диспетчера // Железнодорожный транспорт. 2007, № 11, с. 8-13 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

24. Сотников Е.А., Левин Д.Ю., Алексеев Г.А. История развития системы управления перевозочным процессом на железнодорожном транспорте (отечественный и зарубежный опыт). М. Техинформ. 2007, 237 с.

Левин Дмитрий Юрьевич

05.22.08 - Управление процессами перевозок

Оптимизация оперативного управления перевозочным процессом в условиях развития диспетчерских центров

Подписано к печати УЗ. 02,, 09. Объем 3,0 п.л.

Печать офсетная Формат 60x84/16

Тираж 100 экз. Заказ №

Типография МИИТа, 127994, Москва, ул. Образцова, 9, стр. 9