автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Техническое нормирование эксплуатационной работы с использованием математических моделей перевозочного процесса

ВВЕДЕНИЕ.

РАЗДЕЛ 1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО НОРМИРОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ.

ГЛАВА 1. ОБШАЯ СХЕМА РАСЧЕТА ТЕХНИЧЕСКИХ НОРМ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1.1. Формальная постановка задачи разработки технического плана эксплуатационной работы железных дорог.

1.2. Показатели технического нормирования эксплуатационной работы.

1.3. Технология разработки технических норм эксплуатационной работы.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПЛАНИРОВАНИЯ ПЕРЕВОЗОК.

2.1. Прогнозирование исходной «шахматки» корреспонденций.

2.2. Формирование агрегированных «шахматок» корреспонденций

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПЕРЕВОЗОЧНОГО ПРОЦЕССА НА СЕТИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ.

3.1. Исходные предпосылки построения модели перевозочного процесса.

3.2. Принципы формирования расчетного графа сети железных дорог.

3.3. Математическая модель передвижения груженых вагонов на сети железных дорог.

3.4. Обобщенный план прокладки струй груженых вагонов на сети железных дорог

3.5. Модель регулирования порожних вагонов на сети железных дорог.

3.6. Моделирование размещения вагонных парков.

ГЛАВА 4. АЛГОРИТМ БАЛАНСИРОВКИ ВАГОННОГО ПАРКА НА ОТДЕЛЕНИЯХ И ДОРОГЕ.

4.1. Исходные предпосылки.

4.2. Математическая постановка задачи.

ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ НОРМ В

НОВЫХ УСЛОВИЯХ РАБОТЫ.

5.1. Общие положения.

5.2. Порядок определения погрузки, выгрузки, заданий по сдаче порожних вагонов из-под выгрузки для дорог (регионов).

5.3. Определение работы потребного рабочего парков вагонов.

РАЗДЕЛ 2 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ.

ГЛАВА 6. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ТЕХНИЧЕСКОГО НОРМИРОВАНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ДОРОЖНОГО УРОВНЯ.

6.1. Исходные предпосылки.

6.2. Информационное обеспечение автоматизированной системы технического нормирования на дорожном уровне управления.

6.3. Особенности технического нормирования на дорожном уровне управления.

6.4. Автоматизация расчета показателей технического плана.

ГЛАВА 7. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПАРКА ПОРОЖНИХ ВАГОНОВ НА СЕТЕВОМ УРОВНЕ.

7.1. Исходные предпосылки.

7.2. Технология расчета плана регулирования порожних вагонов на сетевом уровне управления.

7.3. Методика расчета погрузочных ресурсов.

7.4. Исходная информация для решения задач регулирования порожних вагонов на сетевом уровне.

7.5. Автоматизированная система регулирования парка порожних вагонов на сетевом уровне управления.

7.6. Расчет вариантов плана передачи порожних полувагонов.

ГЛАВА 8. ПРОГНОЗ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ И КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ РАБОТЫ СЕТИ НА 20022003 ГОДЫ.

Техническое нормирование эксплуатационной работы наряду с разработкой технических и технологических мероприятий долгосрочного характера и оперативным регулированием перевозками является одним из основных рычагов управления перевозочным процессом на железнодорожном транспорте. Между различными уровнями управления существует тесная взаимосвязь и взаимозависимость. В то же время на каждом уровне решаются свои специфические задачи. Это предопределяет возможность и необходимость исследовать каждый уровень управления самостоятельно. Технические нормы эксплуатационной работы, с одной стороны, должны обеспечивать выполнение задач долгосрочных планов, с другой стороны, служить в качестве ориентиров, на достижение которых направлена организация перевозочного процесса в оперативном режиме.

Техническое нормирование (технический план) разрабатывается на предстоящий месячный период. В необходимых случаях показатели технического плана определяются с подразделением по десятидневным периодам. Временной период разработки технических норм в большой степени предопределяет состав показателей технического плана. Результатом разработки технического плана (определение технических норм эксплуатационной работы сети железных дорог и ее подразделений) должно быть решение следующих групп задач:

- определение количественных показателей перевозочного процесса в соответствии с прогнозируемыми объемами перевозок;

- определение показателей, характеризующих качество эксплуатационной работы железнодорожного транспорта;

- расчет потребных ресурсов для выполнения перевозок и распределение их по сети железных дорог.

Разработка технических норм на сети железных дорог СССР и России ведется с давних пор и в этом деле достигнуты существенные результаты как в методическом, так и в практическом плане. Однако в последнее десятилетие коренным образом изменились условия работы железнодорожного транспорта [5]. Эти изменения были вызваны следующими основными причинами:

- переходом практически всех отраслей экономики на рыночные отношения;

- структурной перестройкой системы управления железнодорожным транспортом;

- появлением различных собственников подвижного состава, эксплуатируемого на Российских железных дорогах;

- широким внедрением информационных технологий в процессы управления перевозочным процессом.

Учет новых обстоятельств в работе железнодорожного транспорта при разработке технических норм потребовал более широкого использования математических моделей технологии выполнения перевозок. Это обусловило актуальность проведенного диссертационного исследования.

Предметом настоящего диссертационного исследования являются показатели технического плана и методы их определения.

Используемые в настоящее время методы технического нормирования эксплуатационной работы не обеспечивают получения оптимальных, а иногда даже сбалансированных значений показателей технического плана. Поэтому основная цель предлагаемого исследования состоит в разработке комплекса математических моделей для определения количественных и качественных показателей технического плана.

Для достижения поставленной цели в диссертации потребовалось:

- техническое нормирование представить в виде системы взаимоувязанных показателей, на достижение которых должна быть направлена организация перевозочного процесса;

- формализовать организационные мероприятия по выполнению соответствующих операций перевозочного процесса в виде математической модели, т.е. определить управляемые переменные технологического процесса, установить ограничения на допустимые значения этих переменных и т.п.:

- для каждой модели сформулировать критерий и метод нахождения оптимального решения;

- разработать и апробировать на практике программный комплекс, реализующий математическую модель.

Обобщенная схема расчета технических норм эксплуатационной работы и состав комплекса необходимых математических моделей представлены на рис.1.

В каждом из перечисленных блоков представленной схемы решается некоторое множество задач.

Формирование «шахматок» корреспонденций грузовых вагонов (блок 1) осуществляется по нескольким моделям, отличающимся детализацией представления объектов сети железных дорог. «Шахматки» корреспонденций рассчитываются на основе плана перевозок, в котором отражается погрузка по типам вагонов и их собственникам. В настоящее время имеется принципиальная возможность рассчитывать постанционные «шахматки» корреспонденций с подразделением по типам вагонов и собственникам вагонов. Однако на практике чаще всего при расчете технических норм планово-экономическим управлением МПС задается междорожная «шахмат-ка» корреспонденций. Поэтому при расчете технических норм в математических моделях «шахматка» корреспонденций между железными дорогами дезагрегируется с отражением в качестве «пунктов» погрузки-выгрузки: отделений дорог, опорных центров дорог (в соответствии с новой структурой управления) и в некоторых случаях станций.

Рис.1 Схема расчета технических норм эксплуатационной работы сети железных дорог и ее подразделений.

Погрузочные ресурсы различных подразделений определяются (блок 2) на основе плана перевозок грузов и складывающихся к началу расчетного периода условий (наличие местного груза и т.п.).

Регулировка порожних вагонов (блок 3) является одним из главных управляющих факторов эксплуатационной работы. Поэтому модели регулировки порожних вагонов занимают особое место в системе моделей. В этих моделях должны быть отражены в полной мере интересы различных собственников вагонов.

Загрузка участков и станций железнодорожной сети (блок 5) определяется на основе построения маршрутов следования корреспонденций вагонов (блок 4). Наиболее точно загрузка элементов железнодорожной сети будет определена при наличии постанционной «шахматки» корреспонденций. При определении загрузки необходимо учитывать действующие план формирования и график движения поездов, а также ограничения пропускной способности участков и перерабатывающей способности станций.

Скорости продвижения вагонопотока по сети железных дорог (блок 6) определяются с учетом загрузки элементов железнодорожной сети. Это влияет на потребность в вагонном парке. Скоростной показатель непосредственно связан с качеством выполнения перевозок.

Определение потребности в ресурсах (блок 7) осуществляется с учетом загрузки элементов железнодорожной сети и качественных показателей эксплуатационной работы.

Переопределение маршрутов следования корреспонденций (блок 8) осуществляется в тех случаях, когда не выполняется хотя бы одно из технологических ограничений.

В разрабатываемой системе управления перевозочным процессом появились новые объекты железнодорожной сети. Такими объектами являются: регион, опорный центр, железнодорожное направление. Расчет показателей технического плана для каждого из объектов предлагается осуществлять по особым моделям.

Достоинство каждой модели оценивается двумя основными факторами: адекватностью математического описания исследуемого технологического процесса и используемыми методами моделирования. Технология перевозочного процесса достаточно подробно описывается такими документами долгосрочного действия, как план формирования и график движения поездов, технико-распорядительные акты и технологическими процессами работы станций и др. Перечисленные документы приняты за основу при разработке математических моделей технологических процессов на месячный период.

Большая часть математических моделей, разработанных в диссертации, относятся к моделям оптимизационного типа. При этом в разработанных моделях широко используются в качестве исходных данных результаты расчетов по эксплуатируемым в настоящее время другим моделям. К таким моделям относятся прежде всего модели «Автоматизация управления вагонным парком», «Система фирменного транспортного обслуживания» и др.

Использованные методы оптимизации относятся к методам линейного и нелинейного программирования. Наиболее широко использовались различные модификации транспортной задачи в сетевой и матричной постановке.

Для эффективного использования разработанных математических моделей на практике большое значение имеет их программная реализация. Программное обеспечение должно предусматривать:

- возможность организации диалога пользователя при принятии решения;

- адаптацию программы к различным объектам управления, отличающимся геометрической структурой, структурой управления перевозками, характеристиками транспортных устройств и др.;

- обеспечение максимального использования доступной информации по возможности в автоматическом режиме.

Диалоговый режим принятия решения позволяет учесть различного рода особенности объекта, которые в реальной действительности настолько многообразны, что не могут найти непосредственное отражение в единой математической модели. Специальные средства адаптации программ к особенностям объектов управления позволяют резко расширить сферу возможного использования программного обеспечения.

Использование компьютерных технологий при решении множества задач учета, планирования и управления перевозочным процессом связано с подготовкой большого объема информации. Чтобы использовать эту информацию при решении задач технического нормирования в автоматизированном режиме, необходимы соответствующие разработки программного обеспечения.

Разработанное в диссертации программное обеспечение в основном удовлетворяет перечисленным выше требованиям, что подтвердили практические расчеты технических норм на Московской, Октябрьской и Свердловской железных дорогах.

При решении задач технического нормирования в диссертации использованы результаты ранее выполненных исследований. Анализу подвергнуты как работы эксплуатационного направления, так и работы, связанные с математическим моделированием производственных процессов и процессов управления перевозочным процессом. Наиболее существенный вклад в исследования первого направления был сделан в работах Петрова А.П., Бернгарда К.А., Воробьева H.A., Дьякова Ю.В., Повороженко В.В.,

11

Сергеева Е.С., Сметанина А.И., Сотникова И.Б., Сотникова Е.А., Тишкина Е.М., Тулупова Л.П., Угрюмова К.А., Шарова В.А.

По вопросам математического моделирования технологических процессов существенные результаты достигнуты Батуриным А.П., Бородиным А.Ф, Буяновым В.А., Дуваляном C.B., Дыканюком МЛ, Ивницким В.А., Козловым П.А., Лахтуровым С.А., Персиановым В.А.,.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного исследования можно сделать следующие основные выводы.

1. Необходимость совершенствования методов разработки технического плана работы железных дорог в настоящее время диктуется изменениями условий работы железнодорожного транспорта, вызванные переходом экономики на рыночные основы, реформированием структуры управления железнодорожного транспорта, наличием различных собственников вагонного парка. Объективные возможности использования новых методов технического нормирования обеспечиваются развитием информационных технологий и средств вычислительной техники.

2. Разработанные в диссертации методы технического нормирования эксплуатационной работы позволили расширить состав показателей за счет более полного отражения характеристик подвижного состав (по типам вагонов, категориям собственников вагонов), детализации мест размещения вагонов на сети железных дорог, обеспечить сбалансированность показателей технического плана.

3. Основой совершенствования технического нормирования является применение математических моделей, описывающих технологию процессов перевозок и процессов управления. В диссертации разработаны следующие математические модели:

- формирования заказов на перевозки в виде шахматок корреспонденций грузов,

- передвижения груженых вагонов по сети железных дорог,

- регулировки порожних вагонов,

- размещения вагонного парка на сети железных дорог,

- балансировки показателей технического плана.

4. Предложенные в диссертации модели формирования шахматок кор-респонденций базируются на информации, предоставляемой в основном ЦФТО, на нормативно-методических документах планирования перевозок, на результатах маркетинговых обследований. Предоставлена возможность формирования шахматок корреспонденций в различных территориальных разрезах, с различной степенью агрегации по родам перевозимых грузов, типам вагонов и т.п. В шахматке корреспонденций для всех грузов априорно заданы пункты отправления и прибытия грузов потребителями транспортных услуг. В этом состоит принципиальное отличие формирование шахматок корреспонденций по сравнению с периодом действия плановой экономики, когда прикрепление поставщиков и потребителей осуществлялось централизованным порядком.

5. Распределение перевозок по направлениям сети представляет одно из эффективных управляющих решений для оптимизации перевозочного процесса. В предложенной модели передвижения груженых вагонов определены оптимальные маршруты следования вагонов в соответствии с запланированными (прогнозируемыми) потребностями в перевозках. Выбор маршрутов следования груженых вагонов на сети железных дорог в диссертации представлен в виде оптимизационной задачи математического программирования. Для решения этой задачи предложен эвристический алгоритм, обеспечивающий нахождение близкого к оптимальному решение за приемлемое для оперативных условий время расчета. Задача решается на расчетной сети, элементы которой позволяют с достаточной степенью точности описать все основные этапы технологического процесса перевозок (погрузка и выгрузка грузов, формирование и расформирование поездов на технических станциях, передвижение поездов по участкам железнодорожной сети). В качестве критерия оптимальности рекомендуется принять затраты на перевозку грузов. Результаты выбора направлений передвижения груженых вагонов позволяют определить важнейшие показатели технического плана: работу основных подразделений железнодорожного транспорта, прием и передачу вагонов между подразделениями, величину вагонного парка, необходимого для выполнения перевозок, качественные показатели перевозочного процесса и использования технических средств транспорта.

6. Регулировка порожних вагонов включает в себя ряд стратегических задач, которые должны решаться в процессе разработки технического плана (определение регулировочных «разрывов», прикрепление пунктов с избытком порожняка к пунктам их недостатка, маршруты передвижения порожних вагонов и т.п.). В разработанных моделях регулировки порожних вагонов отражены такие факторы, как тип вагонов, категории собственников вагонов и др. Количество типов вагонов увеличено по сравнению с действующей системой расчета технического плана. Среди категорий собственников особо выделены страны СНГ и страны Балтии.

В теоретическом плане регулировка порожних вагонов сведена к транспортной задаче линейного программирования в сетевой форме. Для решения задачи применен известный алгоритм последовательного приближения планов. Большой практический интерес представляет задача передачи порожних вагонов по междорожным стыковым пунктам. Для решения этой задачи железнодорожная сеть представлена в агрегированном виде, что позволило в диалоговом режиме рассчитывать множество вариантов и эксперту выбирать наилучший.

7. Существенное место в диссертационном исследовании заняла разработка программного обеспечения для решения сформулированных задач. Разработанные программы позволяют не только получить оптимальные или близкие к оптимальным решения, но и на современном уровне организовать весь процесс разработки технических планов. Это обеспечило практическую возможность организовать процесс разработки технических планов на Московской, Октябрьской и Свердловской железных дорогах. Ряд задач технического нормирования эксплуатационной работы решены и на уровне МПС.

1. Инструкция по составлению месячных технических норм эксплуатационной работы. М, Транспорт, 1979.

2. Альтерман С.Л, Сметанин А.И. Техническое нормирование эксплуатационной работы железных дорог. Трансжелдориздат, 1956.

3. Транспортный устав железных дорог Российской Федерации. Транспорт, 1998.

4. Величко В.И., Сотников Е.А, Голубев Б.Л. Система фирменного транспортного обслуживания при перевозках грузов по железным дорогам. М, 2001.

5. Пути повышения эффективности функционирования железных дорог на транспортном рынке России. Сборник научных трудов ВНИИЖТа под ред. Мазо Л.А.

6. Петров А.П., Буянов В.А., Угрюмов Г.А. Вычислительная техника в эксплуатационной работе железных дорог. М, Транспорт, 1979.

7. Эксплуатация железных дорог (грузовая работа, организация движения и станции).Под редакцией Повороженко В.В., М ,1968.

8. Автоматизированная система плановых расчетов на транспорте. Труды Института комплексных транспортных проблем. Под ред. Козина Б.С. и Козлова И. Т. М, Транспорт, 1981.

9. Автоматизированная система плановых расчетов на железнодорожном транспорте. Труды ВНИИЖТа под ред. Шафиркина Б.И. М, Транспорт, 1982.

10. Заглядимов Д.П., Петров А.П., Сергеев Е.С., Буянов В.А. Организация движения на железнодорожном транспорте. М, Транспорт, 1978.

11. Технико-экономические показатели эксплуатационной работы железных дорог. Справочник. М, Транспорт, 1977.

12. Тишкин Е.М. Автоматизация управления вагонным парком. Труды ВНИИЖТа. Интекст М. 2000.

13. Комплексная автоматизированная система управления железнодорожным транспортом (АСУЖТ). Под редакцией Петрова А.П. М, Транспорт, 1977.

14. Буянова В.А., Сметанин А.П., Архангельский Е.В. Система организации вагонопотоков. М, Транспорт, 1988.

15. Елисеев С.Ю. Опорные центры в системе управления. Железнодорожный транспорт, №11, 2001.

16. Шаров В.А., Гершвальд A.C., Лизунов А.П., Громова Т.А. Сетевой центр управления: планирование и организация работы. М, Железнодорожный транспорт, №2, 2000.

17. Мишарин A.C. Оптимальное управление транспортными связями. М.,Железнодорожный транспорт, № 11, 2000.

18. Сборник правил перевозок грузов на железнодорожном транспорте. МПС 2001.

19. Сопоставимые издержки разных видов транспорта при перевозках грузов. Под редакцией Дмитриева В.И. и Шимко К.Н. М., Транспорт, 1972.

20. Шульга A.M., Смехова Н.Г. Себестоимость железнодорожных перевозок. М., Транспорт, 1985.

21. Расчеты текущих затрат на перевозки грузов железнодорожным транспортом. Национальная ассоциация транспортников, Ассоциация пользователей услуг транспорта. М, 1999.

22. Мазо Л.А., Дыканюк М.Л., Рыбакова Т.П. Развитие методов определения эксплуатационных издержек по направлениям перевозок с применением сетевой эксплуатационной модели. М., Вестник ВНИИЖТ №5, 2000.

23. Мандриков М.Е., Смехов Н.Г., Щульга A.M., Сугробова М.В. Затраты на грузовые перевозки по участкам сети железных дорог. М., Транспорт, 1991.

24. Юдин Д.Б., Гольштейн Е.Г. Линейное программирование. Теория и конечные методы. М., Физматгиз, 1963.146

25. Гольштейн Е.Г., Юдин Д.Б. Задачи линейного программирования транспортного типа.

26. Козлов И.Т. Пропускная способность транспортных систем. Москва, Транспорт, 1985.

27. Форд Л.Р., Фалкерсон Д.Р. Потоки в сетях. М., Мир, 1966.

28. Беллман Р. Динамическое программирование. М., Иностранная литература, 1960.

29. Левит Б.Ю., В.Н. Лившиц. Нелинейные сетевые транспортные задачи М., Транспорт, 1972.