автореферат диссертации по транспорту, 05.22.03, диссертация на тему:Теория и практика проектирования развития мощностии структуры сети железных дорог

Московский государственный университет путей сообщения

РГ8—ОД-

2 и \:и.и На правах рукописи

ГОНЧАРУК Сергей Миронович

УДК 625,11:519.816 (043.3)

Теория и практика проектирования развития мощности и структуры сети железных дорог

05.22.03 - Изыскание и проектирование железных дорог

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1996 г.

Работа выполнена на кафедре "Инженерные изыскания и геодезия" в Дальневосточной Государственной академии путей сообщения.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Аккерман Геннадий Львович доктор экономических наук, профессор Лившиц Вениамин Наумович доктор технических наук, профессор Турбин Игорь Всеволодович

Ведущая организация: Государственный институт

технико-экономических изысканий и проектирования железных дорог. Научный консультант: доктор технических наук, профессор Гавриленков Александр Валентинович

Защита состоится июня 1996 в ал часов на заседании специализированного совета Д114.05.03 при Московском государственном университете путей сообщения по адресу: 101475, ГСП, Москва, А -55, Образцова, 15, ауд.

IUI

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУ ПС. Автореферат разослан м а 9- 1996 года.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь Специализированного совета, профессор

.В.Воробьев

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Сеть железных дорог России, как подсистема Единой транспортной сети страны, является сложной технической системой, имеющей специфическое начертание, мощность, структуру в зависимости от условий развития производительных сил как государства в целом, так и его регионов. Вопросы гармоничного сбалансированного развития сети железных дорог всегда были актуальны, им уделялось внимание в многочисленных исследованиях ведущих научных центров и отдельных ученых.

В условиях рыночных отношений современной России проблемы функционирования, развития мощности и совершенствования структуры сети железных дорог страны и отдельных ее регионов приобретают особую актуальность, особенно в районах Восточной Сибири и Дальнего Востока, имеющих выгодное географическое расположение, дающее выход через морские порты Дальнего Востока в страны азиатско-тихоокеанского региона и уникальные природные ресурсы, которыми будет в перспективе "выживать" Россия.

Процесс проектирования развития мощности и совершенствования структуры сети железных дорог этого региона от Тайшета до Тихоокеанского побережья в условиях противоречивой информационной базы по перспективам развития экономики, освоению природных ресурсов, проблемам ликвидации негативных последствий неблагоприятных природно-климатических условий является сложной многовариантной, многокритериальной задачей и требует совершенствования методологии ее решения.

Цель исследования состоит з разработке методологии формирования исходного и допустимого множества альтернатив на стадии аванпроектирования, позволяющей на основе многокритериальной оценки отобрать эффективную их область для принятия решений по проектированию развития мощности и структуры сети железных дорог региона для различных экономических ситуаций.

Методика исследования. В диссертации использованы методы теории познания, применяемые в системотехнике: системный анализ - при построении

концепции сети железных дорог как сложной технической системы; эмпирический - при формировании информационной базы; ассоциативный -при построении математической модели сети железных дорог на основе матричной теории графов; индуктивный и дедуктивный - при формировании множества альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог. В работе использованы традиционные методы теории надежности, экономической оценки эффективности альтернатив, а также неформальные процедуры близкие к человеческому мышлению типа экспертных.

Научная новизна. В диссертации теоретически решена проблема принятия решений на этапе аванпроектирования развития мощности и структуры сети железных дорог региона, как сложной технической системы. В ходе исследования этой проблемы автором получен ряд новых теоретических результатов:

1. Разработана модель сети железных дорог региона, как сложной технической системы, раскрыты применительно к ней основные системотехнические понятия и принципы, приведены ее макроскопическое, микроскопическое, функциональное, иерархическое и процессуальное описания, сформулированы системные свойства, введено понятие эффективности работы системы.

2. Системно рассмотрена структура информационной базы, необходимой для решения практических задач формирования исходного и допустимого множества альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог.

3. Разработана новая методология формирования альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог, основанная на матричной теории графов в эффективном сочетании с методами булевой алгебры.

4. Рассмотрены теоретические основы определения эффективности инвестиционных проектов развития мощности и структуры сети железных дорог. Даны концептуальные предложения по представлению инвестиционного проекта, как субъекта и объекта инвестиций. Рассмотрены социальные последствия инвестиционного проекта развития мощности и структуры сети железных дорог региона.

5. Рассмотрены экономические показатели инвестиционных проектов развития мощности и структуры сети железных дорог, предложен метод приведения разновременных показателей к их ценности в начальном периоде с помощью преобразования Лапласа.

6. Даны концептуальные предложения по показателям надежности линий и сети железных дорог и рассмотрена надежность сети железных дорог с монотонной структурой.

7. В целях сужения допустимого множества альтернатив рассмотрены теоретически основы метода минимальных сечений применительно к двухполюсным ненаправленным сетям.

8. Практически проверена методика сужения допустимого множества альтернатив с использованием критерия эффективности перевозок.

Практическая ценность. Разработанные в диссертации системные модели и методология принятия решений в целом представляют основу для создания системы автоматизированного проектирования развития мощности и структуры сети железных дорог регионов на стадии аванпроектирования, в процессе которого происходит формирование множества вариантов облика проекта сети железных дорог. Отдельные результаты работы использованы при решении задач увеличения скорости, массы поездов на железных дорогах Дальнего Востока, установления оптимального уровня использования пропускной способности железных дорог, обоснования роли железных дорог Дальнего Востока в освоении его природных ресурсов в увязке с работой морских портов.

На защиту выносятся:

системный подход к обоснованию развития мощности и структуры сети железных дорог;

структура информационной базы для назначения альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог;

методология формирования альтернатив мощности и структуры сети железных дорог;

методология определения эффективности инвестиционных проектов мощности и структуры сети железных дорог;

методология отыскания эффективной области альтернатив мощности и структуры сети железных дорог региона.

Эти позиции составляют новую концепцию развития мощности и структуры сети железных дорог.

Реализация и апробация работы. Результаты исследований диссертации реализованы в более чем 40 научно-исследовательских работах, выполненных по заданию МПС РФ, ИКТП (ныне ЦИКТП), железных дорог региона, администраций краев и областей Дальнего Востока.

Основными из них являются:

1. Разработка и обоснование предложений по комплексному развитию, увеличению пропускной и провозной способности отдельных железнодорожных направлений при минимальных капиталовложениях (заказ ЦЭУ МПС, тема 28.10.27.82.0000. раздел Хабаровского и Приморского краёв в увязке с перспективами развития морских перевозок в регионе. 1983-1987 годы).

2. Целевая комплексная программа скоростного движения пассажирских поездов на основных направлениях сети железных дорог СССР на период до 1990 г. "Прогресс" (Основание: Постановление ЦК КПСС и СМ СССР от 29.05.86 г. и Указание МПС № 750-У от 02.07.85 г.).

3. Разработка и обоснование предложений по развитию железнодорожной сети о. Сахалин в увязке с перспективами развития морских перевозок и зоной тяготения (Заказ Сахалинского отделения ДВж.д. январь 1985 г.).

4. Разработка и обоснование предложений по увеличению провозной способности железнодорожной линии Комсомольск-Советская Гавань (Заказ Дальневосточной железной дороги 1985 г.).

5. Предпроектные изыскания для разработки проектных заданий на удлинение путей участковых, сортировочных и промежуточных станций для организации устойчивого обращения длинносоставных и соединённых поездов. (Заказ ДВж.д. в рамках целевой комплексной программы МПС по увеличению массы поездов. Участки Архара-Хабаровск, Хабаровск-Владивосток. 1987-1989 г.).

6. Схема развития железнодорожного транспорта Дальневосточного региона (Заказ ИКТП, 1988 г.).

7. Обоснование экономической эффективности развития железнодорожного транспорта о. Сахалин с учётом неблагоприятных природных условий (Заказ Сахалинской железной дороги, 1991 г.).

8. Разработка и внедрение системы оперативного анализа факторов, влияющих на движение поездов (Заказ ДВж.д., 1991 г.).

9. Региональная научно-техническая программа "Дальний Восток России" (1993-1996г. Мин.науки, В.Ш. и техн.пол. РФ). Раздел 7. Транспорт и связь. Программа 7.13, 1993-1996 г.

10. Научно обоснованная концепция вариантов развития сети ж.д. для

транспортного обеспечения комплексного освоения природных ресурсов Восточного и Дальневосточного экономических регионов (Заказ ЦЭУ МПС ,1992 -1993 гг.).

11. Разработка системы компьютерного анализа пропускной и провозной способности для Забайкальской железной дороги (Заказ Заб ж.д. от 1.09.95 г.).

12.Роль Байкало-Амурской железной дороги в освоении природных ресурсов Дальневосточного региона (Заказ Байкало-Амурской железной дороги для подготовки материалов на выездную коллегию МПС РФ, 1995 г.).

Отдельные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на НТС МПС (1987 год),НТС Дальневосточной железной дороги (1986, 1987, 1993, 1995г.г.), Забайкальской железной дороги (1994,1995 г.г.), Сахалинской железной дороги (1989, 1990, 1991, 1992, 1994 г.г.), Байкало-Амурской железной дороги (1994, 1995 г.г.), координационном совете кафедр изысканий и проектирования железных дорог вузов МПС по проблемам "Прогресс "="Ускорение" (1985-1994 г.г.), Всесоюзных конференциях по проблемам Байкало-Амурской магистрали: Тында (1985 г.), Новосибирск (1989 г.), Благовещенск (1986 г.), в Госплане СССР по проблеме "Развитие транспортной сети ДВЭР" (1987 г.), на НТС ДВГАПС (1996 г.), заседаниях Головного координационного научно-технического совета но проблеме "Дальний Восток России", выполняемой по заданию Государственного комитета по науке и технике (1993, 1994, 1995), кафедр "Изыскания и проектирование железных дорог" МГУПС, ДВГАПС (1992, 1996 г.г.), заседаниях Дальневосточного отделения Академии Транспорта России (1994 г.), Научно-технических конференциях ДВГАПС (1985-1995 г.г.), Хабаровского государственного технического университета по проблеме "Дальний Восток России" (1995 г.), Дальневосточного отделения Академии Транспорта России (1995 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 31 печатных работах общим объемом 16,4 печатных листа.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка использованных источников. Обт>ем работы составляет 318 страниц, в том числе 59 рисунков и 49 таблиц. Список литературы содержит 261 наименование.

Краткое содержание диссертации

Во введении характеризуются объекты исследования: полигон железных дорог (¡ПЖД) - административно закрепленная единица в системе МПС РФ в границах железной дороги; сеть железных дорог региона (СЖДР) как совокупность ПЖД, объединенных по стратегическим, политическим и экономическим соображениям. Формулируется цель исследования.

Для решения поставленной задачи необходим анализ и синтез накапливаемой в РФ и за рубежом базы знаний по наращиванию мощности отдельных элементов сети железных дорог, ее постоянных устройств, способам организации и управлением процессами перевозок, формированию структуры и мощности направлений и сети железных дорог, экономическим проблемам работы транспорта, системным исследованиям и многим другим вопросам прямо или косвенно влияющим на работу и развитие сложной технической системы - сети железных дорог страны и ее регионов.

Необходимо отметить арсенал идей и методов, созданный представителями различных научных школ, который послужил источником замыслов и концепций, получивших отражение в диссертации. Приведем основные из них.

Методы выбора комплекса технических параметров для проектирования новых и реконструкции существующих железнодорожных линий раскрыты в работах А.В.Горинова, А.И.Иоаннисяна, А-П.Кондратченко,

Г.И.Черномордика, М.И.Воронина, И.В.Турбина, Б.С.Козина, И.Т.Козлова,

A.М.Макарочкина, Ю.В.Дьякова, Ю.А.Быкова, В.А.Шемонаева. Методам проектирования трассы, плана и профиля посвящены труды Е.П.Блохина, О.П.Ершкова, И.И.Кантора, В.М.Петрова. Разработкой автоматизированных систем проектирования занимались Г.Л.Аккерман, В.А.Бучкин, И.П.Корженевич, В.И.Струченков, Г.А.Федотов, Д.М.Шейдвассер,

B.В.Шолин, В.А.Анисимов. Проблемы пропускной способности • рассматривали М.А.Воробьев, А.И.Богданов, Ю.В.Дьяков, А.Д.Каретников,

И.Т.Козлов, В.Е.Козлов, А.Д.Чернюгов, Вл.А.Анисимов. Взаимодействие . железных дорог с окружающей средой рассматривались в трудах А.К.Дюнина, Э.П.Исаенко, Е.А.Румянцева, В.В.Сагло, Н.В.Довгелюк, А.Б.Васильева, В.И.Евграфова, М.М.Каратаева, А.А.Цернанта,

О.В.Калинцева, Б.И.Солодовникова, Е.А.Макушкиной, А.Л.Ревзона. Системному анализу в транспортных процессах посвящены труды:

В.Н.Лившица, Г.Н.Ковшова, Г.С.Переселенкова, С.П.Першина, А.С.Понарина; моделированию транспортных потоков - И.Т.Козлова, Э.И.Позамантира, В.В.Сильянова; проблемам скоростного движения -Ф.П.Кочнева, Е.А.Сотникова, В.Г.Шубко, С.С.Жаброва, Б.И.Гороховцева, А.М.Козлова, В.Ю.Козлова, В.С.Миронова, Е.С.Свиниова, Л.В.Элькнной. Математические модели и методы в транспортных процессах рассматривались в трудах В.М.Акулиничева, В.Я.Негрея, Н.В.Правдина,

A.АСмехова, Г.Г.Иванова, С.Я.Луцкого, С.П.Першина, В.П.Шурыгина, Л. П.Ватули, А.П.Кожевникова, Э.С.Спиридонова, И.Д.Ткачевского; в экономических процессах - В.Н.Лившица, В.И.Арсенова, И.В.Белова,

B.А.Галабурды, Б.А.Волкова, А.Д.Шишкова, В.Я.Шульги, Г.Н.Жинвдна, М.Ф.Трихункова и многих других.

И, наконец, вопросам развития транспортных сетей посвящены труды В.Н.Лившица, И.Т.Козлова, В.Л.Станиславюка, Н.К.Раздобудько, Б.В.Яковлева, С.П.Першина, В.А.Паршикова, Б.Ю.Левина, Е.М.Васильевой, Б.С.Малышева, Е.С.Свинцова, Б.А.Волкова, Г.П.Кобылковского, Ю.Ф.Шишкова, Ю.А.Кузнецова, М.М.Протодьяконова, В.Н.Образцова,

A.П.Петрова, В.И.Петрова, А.Е.Гибшмана, А. Д.Каретникова, Ю.И.Колдомасова, И.Г.Александрова, В.С.Шварцфельда, Я.В.Хомяка, Е.П.Нестерова, Г.В.Ковшова, Б.И.Солодовникова, Г.С.Переселенкова,

B.Н.Воробьева, В.А.Гавриленкова, В.А.Лупина, В.А.Подвербного, Е.А.ПГиваревой и многих других исследователей по системам железнодорожного и других видов транспорта.

Большое влияние на взгляды автора, раскрытые в-диссертации, оказали труды А.В.Гавриленкова и общение с ним, как с научным консультантом.

Развитые в диссертации системные модели "полигон железных дорог" и "сеть железных дорог региона" базируются на работах А.В.Гавриленкова, В.Н.Лившица, А.М.Макарочкина, Ю.В.Дьякова, А.Д.Кондакова, Н.П.Бусленко, Н.Н.Моисеева, В.В.Дружинина.

Вопросы надежности функционирования сети железных дорог и ее элементов основываются на трудах й.А.Ушакова, Е.Ю.Бразиловича, В.А.Каштанова, Г.В.Дружинина, Р.Барлоу, Ф.Прошана.

Следует особо отметить огромный вклад в теорию принятия решений проектных и научно-исследовательских институтов: ВНИИЖТа, Гипротранстэи, Мосгипротранса, Ленгипротранса, Дальгипротранса, Сибгипротранса, Промтрансниипроекта, Мосжелдорпроекта, ЦНИИСа,

ИКТП и многих других проектных и научно-исследовательских институтов, университетов и академий отрасли.

Г л а в а 1. Системный подход к обоснованию развития мощности и структуры сети железных дорог. Аналитический обзор состояния проблемы проектирования развития мощности и структуры транспортной системы РФ показал, что в новых рыночных условиях ведения хозяйства она не только не потеряла своей актуальности, а наоборот стала жизненно важной, более сложной, многовариантной, так как добавилась необходимость рассматривать ее для разных экономических ситуаций в развитии субъектов федерации.

Вопросам комплексного гармоничного развития Единой транспортной сети страны многие десятилетия уделялось огромное внимание крупных государственных институтов, министерств, ведомств и ведущих ученых. Были получены оригинальные фундаментальные результаты. Однако следует отметить недостаточность существующих методологий для решения проблем развития мощности и структуры полигонов и сети железных дорог как РФ в целом, так и ее регионов во времени и пространстве, с учетом новых экономических условий.

Интенсивно развивающиеся в настоящее время новые мировоззренческие теории - системотехника, теория прогнозирования, теория выбора и принятия решений и другие, открывают новые возможности в постановке, моделировании и решении глобальных транспортных сетевых многокритериальных и многовариантных задач.

Постановку задачи настоящего исследования в главе 1 предваряет формулирование ряда понятий, ориентируемых на возможность системного представления сети железных дорог РФ и ее регионов. Системный подход необходим для формирования исходной информационной базы для назначения альтернатив наращивания мощности и структуры сети, с одной стороны, и учета специфики экономики регионов, с другой.

В настоящем исследовании предложена следующая структура сети: узлы - крупные станции (участковые или сортировочные) на пересечении трех и более направлений, обеспечивающие работу структурных элементов сети;

линия - железная дорога, соединяющая узлы;

и

направление - линия или их последовательная совокупность между узлами, имеющая одинаковые параметры и выполняющая единое задание по структуре и объему перевозок.

В свою очередь, направление состоит из отделений (О), а отделения из нескольких диспетчерских участков (ДУ) (от 3 до 5) в рамках административно закрепленных в системе МПС РФ железных дорог.

Совокупность узлов, ДУ, О, направлений образуют следующий структурный элемент сети - "полигон железных дорог" (ПЖД). Таким образом, под ПЖД в данном исследовании понимается совокупность станций всех классов и соединяющих их линии в рамках административно закрепленной железной дороги, различных конфигураций, структуры, густоты и плотности. '

Совокупность ПЖД можно представить в виде сети железных дорог регионов (СЖДР), объединенных по экономическим, стратегическим или политическим мотивам для обслуживания субъектов РФ (в дальнейшем в работе называется просто сеть железных дорог).

При этом ПЖД и СЖДР, в зависимости от уровня развития регионов, могут иметь различную по сложности структуру, конфигурацию. Регион может обслуживать одна ПЖД или несколько, объединённых в СЖДР.

Верхним пределом в иерархии железнодорожных сетей является для отрасли сеть железных дорог РФ (СЖДРФ), как совокупность СЖДР и ПЖД.

Замыкает иерархию - ETC РФ, в которую сеть железных дорог РФ входит как подсистема.

В качестве примера можно отметить, что в центральной части России до Урала ПЖД имеют сложную конфигурацию и большую плотность, множество замкнутых контуров и параллельных ходов. По мнению автора, такие ПЖД надо рассматривать самостоятельно, так как решение сетевых задач даже в рамках одного такого ПЖД весьма сложно и многовариантно.

От Урала до Тайшета ПЖД имеют два параллельных направления с небольшим количеством связующих линий и существенным отличием основных параметров.

И наконец, от Тайшета до Сахалина сеть железных дорог имеет два параллельных направления с несопоставимыми ло мощности параметрами и всего три соединительных перемычки. При этом следует отметить, что на территории более 3 тыс.км эти направления обслуживают развитие экономики

множества субъектов РФ, даю г выход к пограничным переходам и морским портам в страны Азиатско- Тихоокеанского региона (АТР) и состоят из 5 ПЖД (БамЖД, ВСЖД, ЗабЖД, ДВЖД, СахЖД), каждый из которых имеет структуру "дерева".

Для проектирования развития мощности и структуры ПЖД и СЖДР, с учетом вышеизложенного, необходим индивидуальный подход, учитывающий их конфигурацию, плотность, специфику работы, а также природно-климатические и другие факторы.

В условиях перехода к рыночным отношениям нарушения многолетних, исторически сложившихся экономических связей, спада производства, резкого уменьшения объемов перевозок, растущего дефицита материальных и денежных ресурсов, проблема принятия решений в проектировании наращивания мощности ПЖД, надежности и стабильности их работы становится очень сложной и актуальной. Поэтому необходимо в корне пересмотреть концептуальные положения методологии текущего и перспективного планирования развития и работы ПЖД, опираясь на тщательный анализ существующего технического состояния ПЖД, всей инфраструктуры отрасли и детальное рассмотрение возможных вариантов функционирования железнодорожного транспорта с выводами о доходности (прибыльности) работы.

Существующая методология решения сетевых транспортных задач была ориентирована на пятилетние планы, и все планирование шло сверху вниз. Планирование сверху затрагивало глобальные вопросы развития всей отрасли с последующим распределением по дорогам и хозяйствам МПС.

В настоящее время, когда МПС дает дорогам свободу в поиске потоков, клиентов, договорных тарифов и прочих мероприятий, отражающих доход, крен планирования должен сводиться к низовому звену - отделению, дороге (т.е. ПЖД), а затем отрасли в целом. Очевидно, от того, какой объем работы наберет дорога, будет зависеть не только доход, но и возможные государственные и негосударственные инвестиции на ее развитие. Безусловно, часть транзитных потоков, проходящих через несколько дорог, будет заявляться поставщиками и потребителями централизованно в МПС, будут и государственные заказы, но дороги должны четко знать, каков объем этих перевозок, и какой доход они будут от этого иметь.

Для оценки сложности решения задачи проектирования развития мощности введем понятие технического состояния (ТС) (варианта,

альтернативы) ПЖД, а также рассмотрим факторы, влияющие на его изменение. Под ТС ПЖД понимается совокупность О, ДУ, У, 3, их технических параметров, способов и средств, обеспечивающих выполнение перевозок заявленного объема грузов и пассажиров на расчетный срок. Изменение хотя бы одного параметра любого элемента ПЖД приводит к новому ТС. Отсюда следует, что вариантов ТС или альтернатив развития ПЖД может быть очень много, и простой их перебор для отыскания лучшего немыслим. Эффективный вариант развития ПЖД или СЖДР, который отвечает условиям задачи, будем называть Проектом системы ПЖД или СЖДР.

Далее в первой главе подробно рассматривается системный подход к обоснованию развития мощности и структуры ПЖД и сети регионов. Приведены основные системотехнические понятия и принципы, позволяющие производить анализ и синтез сложной технической системы, которой является ПЖД и тем более СЖДР.

В главе даны пять типов системных представлений ПЖД: макроскопическое, микроскопическое, функциональное, иерархическое и процессуальное.

Учитывая, оговоренную в диссертации особенность концептуального аппарата системотехники об относительности многих понятий, изобразим в качестве примера микроскопическое представление сети железных дорог в виде иерархического многоуровневого структурного дерева - надсистема, система, подсистема, элемент (рис.1). На рис. . 1 демонстрируется совокупность элементов и связей между ними на разных уровнях иерархии, образующих структуру системы ПЖД.

Отдельные системные представления взаимно дополняют друг друга. После составления системных представлений организуется их синтез, позволяющий глубоко и всесторонне осмыслить процессы, проходящие как внутри, так и вне системы, выбрать такой облик системы, который будет отвечать всем требованиям, направленным на выполнение единой задачи, своевременной, бесперебойной и безопасной доставки заявленного объема грузов и пассажиров.

Для реализации системотехнического синтеза системы ПЖД необходимо представить наглядную структуру управления функционированием и развитием ПЖД.

Рис.1 Микроскопическое описание ПЖД

Под управлением функционированием системы ПЖД будем понимать все действия аппарата дороги, организующие работу, связанную с реализацией главной задачи - перевозка грузов и пассажиров. Здесь имеются в виду не только функции, связанные с непосредственным управлением процессом перевозок (УПП), но и все связанное с их обеспечением и обслуживанием (содержание постоянных устройств, подвижного состава, станций, СЦБ и т.д.).

Под управлением развитием ПЖД понимаются все функции аппарата системы, связанные с изменением облика элементов и системы в целом.

Блочная структура объектов управления и аппарата управления представлена на рис. 2. Рис. 2 показывает иерархию структуры управления: Управление железной дороги - службы; отделения - отделы; линейные предприятия и их объекты как элементы нижнего уровня деления системы. Все службы дороги работают со всеми отделениями и линейными предприятиями. Каждое отделение работает со своими ДУ и линейными предприятиями. Каждый ДУ, вместе с находящимися на нем линейным предприятием (ЛП), дает полный объем информации о состоянии технических параметров и условиях работы ДУ.

Указанная информация является основой анализа и последующего синтеза подсистем н системы ПЖД в целом, через отдел учета и экономического анализа, службу учета, планово-экономическую и финансовую службы. Последние определяют на основе информационно-статистической базы фактические показатели работы и осуществляют расчеты плановых показателей.

На рис. 2 блок указанной выше работы выделен в отдельное структурное целое и подчинен лицу (или группе лиц), формирующих множество альтернатив облика системы(ЛФА), с последующей передачей информации ЛПР. При этом, работа ЛФА может быть увязана с процессуальными представлением ПЖД для решения задачи ее развития в динамике.

В умении методически правильно распорядиться потоками поступающей информации, увязать их с декомпозицией системы, не упустить влияющих на формирование альтернатив развития ПЖД структурно-логических, физических и экономических связей есть залог успешной работы ЛФА и ЛПР. Создание методики такой работы является одной из задач настоящего исследования.

Рис.2 Управление функционированием н развитием ПЖД

Развитое в главе I представление ПЖД как сложной технической системы дает возможность перейти к принципам формирования информационной базы, предназначенной для назначения множества альтернатив развития ПЖД. Концепция этой задачи раскрывается в главе 2.

Г л а в а 2. Информационная база для назначения альтернатив развития ПЖД. Иерархия структуры информационной базы для назначения множества альтернатив проектирования развития мощности ПЖД должна соответствовать задачам анализа и синтеза рассматриваемой системы.

Для анализа ПЖД в рамках его системных описаний необходимо иметь информацию, позволяющую, в конечном итоге, при существующем облике системы оценить, какую работу она выполняет и с какой технической и экономической эффективностью.

Укрупненная схема структуры информационной базы (ИБ) представлена на рис. 3.

Рис. 3

Как показали исследования, проведенные на кафедре "Инженерные изыскания и геодезия" Дальневосточной государственной академии путей сообщения (ДВГАПС) весь необходимый объем информации в отделениях дороги и в управлении имеется в разных формах статистической отчетности (рис. 4), но целенаправленного комплексного ее анализа в русле поставленной в настоящей работе задачи исследования не делается. Информация не приводится к виду, позволяющему системно представить состояние ПЖД.

Анализ деятельности железнодорожного транспорта * Планирование на перспективный период

Рис. 4. Существующая схема потоков информации о перевозочном процессе

Это связано с большими потоками информации обрабатываемой, в значительной степени, вручную. Как следствие, качество и глубина проработки потоков информации для целей текущего и перспективного планирования развития мощности ПЖД неудовлетворительны.

Синтез рассматриваемой системы, с позиций управления ее функционированием и развитием требует, на наш взгляд, упорядочения информационной базы данных по схеме, приведенной на рис.5.

Организация синтеза информационной базы зависит от выбранных критериев технической эффективности, а глубина иерархической проработки информации от класса решаемой задачи, от элементов до системы ПЖД в целом.

Последовательность анализа и синтеза информации в соответствии с ее структурой показана на рис. 5.

Как видно из рис. 5, для анализа работы системы ПЖД необходимо создать надежную базу данных по техническому состоянию постоянных устройств и подвижному составу, которая корректируется по мере реализации планируемых мероприятий, направленных на изменение облика системы и ликвидации отказов всех видов.

Помимо этого создаются базы данных по анализу эксплуатационных и экономических показателей работы, характеризующих техническую и экономическую эффективность работы системы.

На основе комплексного сопоставительного анализа и синтеза информационной базы определяется производительная сила существующей системы, эффективность и качество ее реализации.

Рассмотрены принципы формирования информационной автоматизированной базы ИБТС для оценки существующего технического состояния ПЖД и анализа показателей ее работы. В качестве примеров таких информационных баз приводятся системы АРМ "Служба пути", "Анализатор", "Инженер тяговых расчетов", разработанные по замыслу или при участии автора диссертации. Назначение ИБТС состоит в выявлении "узких" мест в ПЖД, ограничивающих функциональные показатели ее работы: пропускную, провозную и перерабатывающие способности линий и узлов, скорость, время хода поездов, время оборота вагонов и др.

Далее в главе 2 строится информационная база ИБТП, необходимая для расчета технических показателей работы системы ПЖД при формировании

Рис. 5. Структурная схема информационной базы ПЖД для анализа работы системы

множества альтер?1атив ее развития. ИБТП формируется на основе ИБТС и включает комплексы технических реконструктивных, модернизационных и организационных мероприятий для снятия ограничений по пропускной, провозной и перерабатывающей способности элементов ПЖД.

Концептуальная схема построения автоматизированной системы подготовки информационной базы для формирования альтернатив показана на рис. б. Реализация такой концепции - дело недалекого будущего.

Построение информационной базы для определения экономических показателей - ИБЭП для последующей критериальной оценки множества допустимых альтернатив развития ПЖД рассматривается в главе 4.

Построение общей информационной базы (ОИБ) дает возможность перейти к разработке методологии формирования множества альтернатив развития мощности и структуры ПЖД и СЖДР.

Глава 3. Формирование альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог. В начале главы рассмотрены существующие подходы в назначении вариантов развития сети железных дорог. Отмечается, что область возможных вариантов сети вначале назначалась экспертно, а позже стали применяться методы прямого перебора и направленного поиска. Для описания сетей железных дорог многими исследователями использовалась теория графов, причем графы применялись как чисто языковое средство. В настоящей работе теория графов используется более конструктивно.

Приводится существенная постановка задачи. Железная дорога относится к территориально распределенным техническим системам с сетевой структурой. Характерным для них является то, что с достаточно общих позиций все включенные в их состав объекты (элементы) могут быть разделены па две части:

1) пункты терминальные (станции зарождения и погашения грузопотоков и пассажиропотоков) и транзитные (станции переадресации грузов и пересадки пассажиров);

2) каналы коммуникационные - железнодорожные линии, связывающие терминальные и транзитные пункты.

Для математического описания таких технических систем оказывается удобным использовать модели, опирающиеся на теорию графов. В настоящей главе математическая теория графов используется для решения задачи формирования альтернатив развития мощности сети железных дорог.

Рис. 6. Схема подготовки информационной базы для формирования альтернатив

Развитие мощности сети железных дорог может производиться по двум направлениям:

во-первых, за счет изменения технического оснащения (состояния) линий и узлов сети (строительство вторых путей, электрификация, удлинение приемно-отправочных путей, оборудование линий автоблокировкой, увеличение численности парковых путей, повышение мощности сортировочных горок и др.);

во-вторых, за счет усиления связности сети (строительство новых линий и узлов).

Естественно, возможно сочетание этих обоих направлений.

В дальнейшем сеть железных дорог в этой главе будет рассматриваться как так называемая монотонная структура, строгое определение которой будет дано ниже.

Физический смысл этого понятия состоит в том, что всякие улучшающие процедуры над элементами сети (усиление, замена, резервирование, модернизация, реконструкция) не ухудшают эффективности их функционирования и надежности и сети в целом.

Задача формирования множества альтернатив развития мощности сети железных дорог включает два существенных этапа:

1) формирование исходного множества альтернатив (ИМА), включающего все возможные альтернативы;

2) анализ исходного множества альтернатив и его сужение до допустимого множества (ДМА).

Формируется математическая постановка задачи. Предварительно вводятся допущения:

1) узлы сети абсолютно надежны;

2) линии сети предполагаются простейшими, т.е. каждая из них может находиться только в двух состояниях: работоспособности и отказа;

3) состояние сети определяется совокупностью состояний ее линий, что позволяет все множество состояний сети разделить на два подмножества: работоспособности и отказа.

Для формального описания структуры сетей железных дорог в диссертации использованы булевы переменные и функции.

Пусть сеть состоит из п линий Х{. Число линий сети и называют порядком сети. Состояние сети может быть описано п - мерным вектором

X = (хи х2,..., Х{ , хп).

Для обозначения состояния i - й линии введем бинарную булеву переменную Х{ такую, что

¡1» если { - я линия работоспособна, О, если 1-я линия отказала.

Множество возможных состояний сети включает 2'гсостояний. В зависимости от конкретного вида структуры сети множество ее состояний может быть разделено на два подмножества: работоспособности и отказа сети в целом. Для обозначения состояния сети введем бинарную булеву функцию Ф(Х) такую, что:

¡1, если сеть работоспособна,

О

и, если сеть отказала.

Функция Ф(Х) в математической теории надежности называется структурной функцией. Знание структурной функции сети эквивалентно знанию структуры сети, т.е. знанию подмножества состояний работоспособности сети и подмножества состояний отказа сети.

Линия Х\ является несущественной, если Ф(Х) не зависит от значения X], т.е. если

Ф(Л'/,..., Х{= /,..., хп) = ФСс/,..., х-г = О,..., хп).

Правило декомпозиции сети основано на известном из математической логики приеме разложения булевой функции относительно ее переменных:

Ф{Х)= х.Ф(Х,\.) + (1 - х.)Ф(Х,0\

Дальнейшее разложение проводится по индукции.

Сеть железных дорог является монотонной структурой, обладающей следующими свойствами:

1) Ф(1)= 1,где1 = (1,1,..-,1);

2) Ф(0) = 0,где0 = (0,0.....0);

3) Ф(Х) > Ф(У),еслиХ > У,где условие X > У понимается как совокупность п условий Х{ для г = 1,...,п, причем хотя бы одно неравенство является строгим;

4) все линии сети являются существенными.

Математическая постановка задачи с учетом этих предпосылок формулируется следующим образом: сформировать исходное множество альтернатив структур сети железных дорог, определяемых с помощью структурной функции Ф(X).

Практическое использование булевых структурных функций возможно после преобразования их к математической форме с помощью следующих четырёх правил:

1) отрицания X = 1 — х.;

2) конъюнкции д X. = П х ■;

1 < / <; п 1 1 < I < п 1

3)дИЗЪКЖКЦИИ V X . = I -г и (1 ~~ х ■) У

1 < 1 < п 1 1 < / ^ п

4) поглощение степеней X . • X = X .

I / /

Рассмотрены виды структур сетей железных дорог и их структурные функции:

п

последовательная Ф(Х)= П

1=1 1 П

параллельная Ф(Х) = 1 — Д (1 ~ х •)»

1=1 1

параллельно-последовательная (рис. 7)

Ф(Х) = [1-(1-^)(1-х2)][1-(1-х3)(1-х4)];

последовательно-параллельная (рис.8)

Ф(Х) = 1-а~у3)(1-г2х4);

с приводимой структурой (рис.9)

Ф(Х) = 1-(1-х1)(1-*2С1-(1-*3)(1-х4)));

с неприводимой структурой (рис. 10)

Ф(Х) = х3[1-(1-х1)(1-х2)]. •[1-(1-х4)(1-х5)] + (1-х3)[1-(1~х1х2)(1-х4х5)1

Формирование исходного множества всех возможных альтернатив (ИМА) осуществляется постановкой в структурные формулы всех х. = 1

¿b

Xl

хз

XI хз

О-

< к > СЗ

Х2 Х4

Рис.7

х2 х4 Рис.8

Xl

сэ

х2

Рис.9

XI ХЧ

(HD

х2 Х5

Рис.10

X? XS Х8

CD

Xl х4 х7 Рис.11

Х258

а) ( )

XU7

Хг XS8

5) Q3

XI Х47

Х13

Х57

а)

С_ХИ>

Х24

X&S

Х9

б) £

XI ^ ХЗ ХТ

d b

_/V_J

Х24

Х«8

Х>

В)

XI /"хз хТЛ XI

» СГХТЗ

Хю Рис.13

В)

Х2

Шз

Xl х4 х7 Рис.12

Рис.14

или х - 0 (¡=1,п) Далее описывается процедура сужения ИМА до г

допустимого множества альтернатив ДМА.

Существенное сужение исходного множества альтернатив развития мощности сети железных дорог осуществляется -за счет исключения из него недопустимых подмножеств. Недопустимость подмножества определяется требованиями связности сети. В зависимости от конкретной задачи эти требования могут бьггь различными. В работе рассмотрены два требования:

1) связности полюсов сети;

2) связности любого узла сети с любыми другими узлами и полюсами (не обязательно непосредственно).

Для выполнения первого требования необходимым и достаточным является условие

Ф(Х) = 1.

Для выполнения второго требования необходимым условием является выполнение соотношения между числом узлов и и линий / и числом отключенных для реконструкции линий к

■ к< I -и + 1.

Исходное множество состояния (альтернатив) сети N = может быть разбито на 1 + 1 подмножеств, различающихся числом реконструируемых линий

ЛГ = С? + С? + ... = С* +....+с(= I с}-;(к = 0\.....I)

II I I к=0 I

где С^ - биномиальный коэффициент, определяющий численность к-го

подмножества состояний (альтернатив) сети с к реконструируемыми линиями. Минимальная сеть, обеспечивающая связность полюсов и всех узлов - полное дерево.

Количество деревьев Ь можно определить как детерминант симметричной матрицы смежности А

где а., — а - число ребер, имеющих концевые узлы I и }, взятое со знаком

У л

минус; а - число линий, инцедентных узлу /'. п

При этом один из полюсов не участвует в формировании матрицы.

В работе рассмотрен пример формирования альтернатив непридвидимой

о

сети из 8-и линий (рис. 11). Численность ИМ А сети N=2° = 256. После исключения альтернатив, не удовлетворяющих требованиям связности, численность ДМА составила 55, т.е. численность ИМА сократилась в 4,65 раза.

Рассмотрена процедура формирования ИМА и сужения его до ДМА для многополюсных сетей. Многополюсные сети приводятся к двухполюсным объединением всех источников в суперисточник, всех стоков - в суперсток.

Разработана методология формирования множества альтернатив развития структуры сети железных дорог.

Рассмотрены две задачи формирования множества альтернатив развития структур сетей и их оценки по критерию связности при условии Ф(Х)=1:

1) создание сотовой структуры за счет сооружения соединительных линий (перемычек) между параллельными линиями (рис. 12);

2) создание соединительных линий между линиями, инцидентными узлу (рис. 13).

Для обеих задач построены структурные функции, определены численности ИМА и произведено сужение ИМА до ДМА.

В целом глава 3 представляет собой новую методологию формирования альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог.

Г л а в а 4. Эффективность инвестиционных проектов развития мощности и структуры сети железных дорог. В главе сформулированы главные концептуальные положения и принципы оценки эффективности инвестиционных проектов, изложенные в "Методических рекомендациях по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования", применительно к рассматриваемой в диссертации проблеме.

Инвестиционный проект - комплекс мероприятий по развитию мощности и структуры сети железных дорог.

Субъект инвестиций - организация, использующая инвестиции.

Объект инвестиций - комплексы реконструируемых и строящихся железнодорожных линий.

Создание и реализация проекта включает следующие этапы: формирование инвестиционного замысла; исследование инвестиционных возможностей; ТЭО проекта; подготовка проектной документации; строительно-монтажные работы; эксплуатация объекта.

Далее подробно раскрыто содержание этих этапов в проблеме развития мощности и структуры сети железных дорог.

Инвестиционные проекты классифицированы по масштабам влияния на внутренние и внешние рынки финансовых, материальных продуктов и услуг, труда, а также на экологическую и социальную обстановку как глобальные (планетарные), крупномасштабные (государственные), региональные, локальные.

Проанализированы социальные последствия инвестиционных проектов: изменение количества рабочих мест в регионе, улучшение жилищных и культурно-бытовых условий работников, изменение условий труда работников, изменение структуры производственного персонала, изменение надежности снабжения населения регионов или населенных пунктов отдельными видами товаров, изменение уровня здоровья работников и населения, экономия свободного времени населения.

Впервые для оценки экономической эффективности инвестиционных проектов развития мощности и структуры сети железных дорог привлечены показатели:

чистый дисконтированный доход (ЧДД); индекс доходности (ИД); внутренняя норма доходности (ВНД); срок окупаемости (СО).

Предложено для приведения разновременных экономических показателей к их ценности в начальном периоде использовать преобразование Лапласа. Показано, что, если функция экономического показателя от времени R(t) изменяется непрерывно и удовлетворяет условиям сходимости интеграла Лапласа, то имеет место соотношение

00 _ , R(p)~ \R(t)e pidt О

где: интеграл в правой части - интеграл Лапласа; R(t)- функция расходов

(доходов) - оригинал; И(р) - дисконтированная функция расходов (доходов) • изображение; е ^ = (1 + Е) * = «(Ч) - коэффициент дисконтирования; р и 1п (1+Е), Е - норма дисконта. Приведена таблица формул соответствия преобразования Лапласа К(0 и И(р) и рассмотрен пример расчета Жр).

В главе 3 основное внимание уделено работоспособности сетей железных дорог с монотонной структурой. В главе 4 продолжено изучение этих сетей с позиций их надежности в зависимости от надежности линий.

Сеть железных дорог является восстанавливаемой системой, время

работоспособности которой до первого отказа Ьй линии После отказа г-й линии наступает время восстановления 7].^, необходимое для ликвидации

отказа. Далее следует второй интервал времени работоспособности ¿¡у, после чего следует время восстановления Т]{2 и т.д. Состояние г-й линии меняется со значения 0 (отказ) на значение 1 (работоспособность) и наоборот. Продолжительности состояний работоспособности и отказа. - величины

случайные. Следовательно, х{ (О является бинарным случайным процессом.

Введено существенное допущение о статистической независимости отказов линий. Для оценки надежности линий и сети используются следующие показатели.

Коэффициент готовности линии. Пусть 1-я линия сети характеризуется случайным состоянием Х{. и известно, что вероятность ] или математическое ожидание Мх{

работоспособности этого состояния есть р?

Р1 = Р[х{ = // = Мх{, г = /,...,л. Вероятность р1 называется коэффициентом готовности линии и определяется по формуле:

Рт =-Ъ— ,

+ МТ].

где и Мц,- математические ожидания случайных величин ^ и т^,

которые определяются статистически.

Коэффициент простоя линии. Коэффициент простоя линии определяется по формуле:

Яг = Щ +Щ

Коэффициент готовности сети. Как и в главе 3 обозначим X = (x1,...,xi,...,xn). Показатель надежности сети h(p) аналогично показателю надежности линии определяется как вероятность Р[Ф(Х) =1] или математическое ожидание работоспособности сети М[Ф(Х)] h(p) = Р[Ф(Х) = 1] = М[Ф(Х)].

Справедливость этой формулы вытекает из следующего. Структурная функция Ф(Х) представляет собой многочлен, т.е. сумму произведений сомножителей

Ф(Х) = 2 их{.

Применяя последовательно операции математического ожидания суммы и произведения, получаем формулу h(p) = М[Ф(Х)1 .

Показатель надежности сети h(p) называется коэффициентом готовности сети и?в дальнейшем .обозначается через Кp—h(p).

Практическое удобство формулы h(p) = М[Ф(Х)] состоит в том, что для того, чтобы получить коэффициент готовности сети, нужно в структурной формуле сети заменить Ф(Х) на Кр, а Х{ на pi .

Таким образом, удается представить показатель надежности сети -коэффициент готовности Кр как функцию показателей надежности линий р{.

Коэффициент простоя сети

К =1- Г ^П "Г .

Далее приведены формулы коэффициента готовности, для сетей с монотонной структурой.

Сеть с последовательной структурой

к т=р1-р2\

При числе линий п

Сеть с параллельной структурой

При числе линий п

К = 1- П (\~Р{) 1 1=\ 1 ' Сеть с пара л лельно-по с ледо в ательной структурой (рис. 7)

\-о-Р1)(}- -а- ръх 1 - Р4)

Сеть с последовательно-параллельной структурой (рис.8)

кг=\-а-р1ръ)(\-р2р4) _

Сеть с приводимой структурой (рис.9)

кг = 1 - а - рх)(\ - р2а -а- рз)(\ - р4))).

Се^ть с неприводимой структурой мостикового типа с одной перемычкой (рис. 10) Коэффициент готовности сети определяется с помощью разложения относительно особого элемента (х-¡)

Кг = Р3[ 1 -(1 -рх)( 1 - р2)|1 -а- Р4)(\- р5;]+(I-р.

В заключении главы 4 рассмотрен пример расчета надежности альтернатив развития мощности и структуры сети Тайшет- БАМ - Транссиб • Хабаровск (рис.14). Цифрами и кружками обозначены узлы: (0) - Тайшет;

(Т)- Тында;(2)- Бамовская;(3)- Ургал;(4)- Известковая;(5)- Комсомолъск-на-Амуре;@- Хабаровск.

По начертанию сеть Тайшет - БАМ - Транссиб - Хабаровск представляет собой мостиковую схему с двумя перемычками. В качестве полюсов рассматриваются узлы (0). и © .

Надежность альтернатив полигона сети с одной реконструируемой линией.

Одна группа графов представляет собой сети мостиковой структуры с одной перемычкой и одной или двумя висячими линиями. Коэффициент готовности таких сетей определяется формулой

где Крэд - коэффициент готовности мостиковой сети; р^ . коэффициент

готовности г-й висячей линии; т - число висячих линий.

Вторая группа графов представляет собой сети мостиковой структуры с одной перемычкой.

/

Третья группа графов представляет собой сети приводимой структуры. Надежность альтернатив сети с двумя реконструируемыми линиями. Все связные графы сетей этого подмножества включают контур параллельных линий с примыкающими к нему висячими линиями. Коэффициент готовности таких сетей определяется формулой

т

КГ=КГК^Р1'

где Кр ^ - коэффициент готовности контура; Р1 . коэффициент готовности

1-Й линии; т- число висячих линий.

Надежность альтернатив сети, с тремя реконструируемыми линиями. Все связные графы этого подмножества представляют собой полные деревья. Коэффициент готовности сети

т

Т'"

где р^- коэффициент готовности 1-й линии; т - число линий сети.

Результаты, полученные в главе 4, используются при решении проблемы развития мощности сети методом сечений в главе 5.

Г л а в а 5. Методология отыскания эффективной области альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог.

Для практических задач прилятия решений по отысканию эффективной области альтернатив проектирования развития мощности и структуры сети железных дорог конкретных регионов необходимо для лица, принимающего решения (ЛПР), разработать такую методологию подготовки исходной базы, которая позволяла бы оперативно, в приемлемые сроки, с достаточной степенью надежности просматривать на базе конкретных критериев возможные для реализации альтернативы из их допустимого множества.

Концептуальная схема методологии решения поставленной в данной главе задачи показана на рис. 15.

Реализация данной методологии рассматривается в главе 5 на примере двухполюсной ненаправленной сети с одной перемычкой, изображённой на рис. 10

Рассмотрены три этапа решения задачи: первый - построение ИМА и отыскание ДМА ; второй - исследование эффективности развития сети железных дорог методом сечений; третий - определение зоны загрузки линий сети и выбор мероприятий на основе критерия эффективности работы системы.

Применение аппарата гл. 3 позволило на первом этапе для рассматриваемого примера определить ИМА=32 и с учетом введения Х\—\ и Х4=1 сократить их до ДМА= 8.

При анализе ДМА=8 возникает необходимость рассматривать большое подмножество возможных мероприятий на элементах сети Х2, Х3, Х5, что снова существенно увеличивает размерность задачи.

Поэтому для поиска "узких" мест в работе сети применяются последующие два этапа.

Метод сечений. Сечением ненаправленной двухполюсной сети называют такое подмножество его линий, удаление которых из сети разрывает все пути этой сети. При анализе работоспособности двухполюсника целесообразно использовать понятие минимального сечения.

Минимальным сечением двухполюсной сети называется такое подмножество его линий, удаление которых разрывает все пути сети, но введение хотя бы одной любой из линий этого подмножества приводит к появлению хотя бы одного пути.

Структурная функция двухполюсной сети с М минимальными сечениями имеет вид:

Рис. 15. Методологическая схема отыскания эффективной области альтернатив

Ф(Х)= П и

\<К<М1еВк 1

Перечисление всех минимальных сечений, особенно в сетях сложного начертания с большим числом линий, задача непростая.

Для рассматриваемого в гл. 5 примера структурная функция минимальных сечений имеет вид:

Ф(Х) = (х V у Х5^Х1 V X3V Х5^Х2 у у

ф(Х) = [1 - п - - - - - ■

• 1 - (I ~ хх)(\ - хъ)(\ - х5;][1 -а- х2)(\ -хъ)(\ - х4;]

Если в приведенной формуле положить равным нулю любое подмножество переменных Х{ в квадратных скобках, образующих сечение, то Ф(Х)=0, то есть двухполюсник станет неработоспособным.

В рассматриваемом примере возможны четыре сечения Рис. 16. После расчета суммарной возможной провозной способности по ним установлено, что "узким" местом является сечение 2, проходящее через линии сети 2, 3, 5. Загружая линии сети транзитными и местными перевозками и определив суммарный резерв провозной способности по сечениям, делаем вывод, что с учетом передачи части местного объема перевозок, зарождающегося из узла Б на "запад" кружным путем через узел "восток" и А, сеть справляется с предъявленными объемами перевозок, но при этом резервы провозной способности на линиях 2, 3, 5 минимальны.

В связи с этим необходимо ввести для отыскания и анализа эффективной области альтернатив критерий, позволяющий определить такую область загрузки линий сети, которая позволяет работать всей системе без уменьшения прибыли. Иначе говоря, надо приступить к третьему этапу решения задачи, который позволяет формировать зону эффективной загрузки элементов сети на основе критерия эффективности перевозок Д Э(Г), учитывающего отказы работы линий системы и критерия операционная эффективность - АБ .

При этом Д Э(Г) определяется в зависимости от вида отказов на линиях сети один раз и затем корректируется по мере проведения мероприятий, ликвидирующих отказы по формулам: ....'......_........

Схема сечений в рассматриваемом примере с суммарной провозной способностью к ним

1. При перерывах в движении поездов (полный отказ):

2

Г I 1

hЗ(Г)~N __-__отк__- —

"отк 365.24 2 , Г

1

гф

2. При постоянных ограничениях скорости:

3. При временных ограничениях скорости:

АЭ(Г) = N

Г

А?

х

отк 365-24 60

1

М _х

отк , Г 2-60

~гф .

где Мотк - количество отказов данного вида; Г- варьируемая загрузка линии

сети; Д^ - соответственно продолжительность отказа и потери времени

хода при ограничениях скорости; Гф- фактическая провозная способность с учетом отказов.

Формулы получены по замыслу автора и при его участии и проверены в диссертации его аспиранта О.В.Калинцева на тему "Повышение эффективности перевозок и мощности железнодорожного направления в сложных природных условиях". Зависимость Л Э(Г) может быть линейной при наличии на элементах сети временных и постоянных ограничений и нелинейной при учете полных отказов.

Для определения рациональных по критерию ДБ размеров перевозок по линиям сети, в главе 5 предложено на графике зависимости Д Э(Г) провести касательную, имеющую угол наклона Р к оси абсцисс. Точка касания соответствует рациональному размеру грузопотока Г*.

Тангенс угла р определяется формулой:

Д5

где ДБ- операционная эффективность от перевозки 1 т. груза по

рассматриваемой линии, руб/т час; АЗ - увеличение расходов на перевозку грузов из-за задержки в пути, руб/т час; Ш- штрафные санкции за несвоевременную доставку грузов руб/т час;

Для иллюстрации предлагаемых в методологии приемов отыскания эффективной зоны загрузки линий сети за счет комплексного использования критериев технической и экономической эффективности приведем демонстрационный рисунок при наличии на линии всех видов отказов (в нашем примере это линии 3, 5)

, . I

В результате проведения описанных выше процедур в соответствии с предложенной методологией целенаправленно формируются альтернативы мероприятий, позволяющих отдалить реконструкцию линий 2, 3 за счет проведения работ по снятию предупреждений всех видов и ликвидации последствий отказов системы. При этом следует еще раз подчеркнуть, что все альтернативы назначаются из условия эффективной (прибыльной) работы системы при их реализации. Показано, что этих мероприятий для рассматриваемого примера получилось 7, но их количество может увеличится за счет рассмотрения возможных их сочетаний. Далее формируется доминирующая последовательность альтернатив, из которой ЛПР может выбрать требуемые для реализации состояния сети как окончательный вариант или как вариант для более детального анализа.

Рис. 17. Зависимость задержки грузов от размеров грузопотока на линии ¡ = 5 (Гв>Гф=8.8 млн.т/год)

Рис. 18. Зависимость задержки грузов от размеров грузопотока на линии ¡ = 5 после отмени всех постоянных ограничений скорости

Г л а в а 6. Формирование эффективной области альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог Дальневосточного региона в условиях рыночных отношений.

В начале главы уточнено понятие Дальневосточного региона и поставлена задача: разработать расчётную модель СЖДДВР и проверить на ней разработанную в диссертации методологию формирования эффективной области альтернатив для принятия решений по развитию её мощности и структуры.

Анализ действительного начертания СЖДДВР, состоящий из пяти ПЖД имеющих форму "дерева", позволяет, с учётом выделения замкнутых контуров сети, агрегирования линий с одинаковыми параметрами и отбрасыванием "висячих" линий, имеющих второстепенное значение, представить расчётную модель как сеть с неприводимой структурой мостикового типа с двумя перемычками рис. 11.

Исходная информация необходимая для решения задачи взята из отчётов по научно-исследовательским темам, выполняемым под руководством автора, по данным Гипротранстэи, ЦНИИТЭИ.

По расчётной модели СЖДДВР сформированы ИМА и ДМА (соответственно 256 и 55), сделана выборка графов, отвечающих поставленной . задаче (их 45). .

В целях сокращения ДМА использован критерий-коэффициент готовности сети как показатель надёжности её работы.

Если принять, что при Кг < 0.9 альтернатива изменения облика -,. системы неприемлема как ненадёжная, то ДМА сократилось до 4.

Это свидетельствует о том, что линии 2, 7, 8 нельзя отключать для реконструкции при появлении дополнительных (по сравнению с существующими) грузопотоков ДГп.

• Далее в главе на основе метода сечений выявлены первоочередные для реконструкции линии и определён диапазон их рациональной загрузки пс критериям ДЭ и ДБ.

Сопоставительный анализ резервов провозной способности V перспективных объёмов перевозок на 2000 год (прогноз Гипротранстэи] показал, что "узким" местом сети будет линия 2 (Тайшет-Тында). В связи < этим принято два состояния - существующее с перераспределением перевозо!

и предусматривающее строительство разъездов второй очереди на линии 2 Тайшет-Тында. При этом на каждое состояние накладывается ещё три: работа со всеми постоянно действующими ограничениями; ликвидация 50% ограничений; ликвидация 100% ограничений. Число возможных вариантов сети с учётом принятых мероприятий и возможных их сочетаний стало 13122 .

Для сужения множества возможных состояний в главе 6 применён метод наискорейшего спуска. При этом в качестве критерия взято отношение капитальных вложений к единице операционной эффективности ( к у/б у ). Все найденные 34 состояния оптимальны по Парето.

Формирование доминирующей последовательности вариантов развития мощности сети для ЛПР произведено по критерию ЧДД. Анализ результатов показал, что только два первых состояния имеют ЧДД>0:

Состоя1ше ]=0. Мощность ПЖД не изменяется. В виду дефицита провозной способности линии Тайшет - Тында на Транссиб передаётся транзитный грузопоток ДГ=2.6 млн.т/год, следующий из Тайшета в Хабаровск.

Состошше /=/. Реконструируется линия Тайшет - Тында (разъезды II очереди на длинных перегонах). Сохраняется первоначальное распределение грузопотоков по линиям ПЖД.

Все остальные состояния невозможно реализовать средствами железных дорог, входящих в расчётную СЖДДВР, т.к. мала операционная эффективность их работы.

Таким образом, на основе проведенных расчётов получена база данных для лица, принимающего решения ЛПР на уровне МПС РФ.

ЛПР может принять решение реализовать мероприятия, дающие ЧДД>0, не инвестируя проект развития мощности СЖДДВР, т.е. мероприятия будут реализованы за счёт денежных ресурсов дорог;.

Можно пойти и по другому пути: отодвинуть срок капитальных вложений в снятие постоянно действующих ограничений ь'а один, два года. В этом случае количество альтернатив с положительным ЧДД возрастает.

Как альтернатива рассмотренному решению, ЛПР может дополнительно инвестировать СЖД ДВР в объёме равном потребным Ку- В этом случае ситуация резко изменится в пользу получения дополнительных альтернатив с положительным ЧДД и ЛПР выбирает лучшие решения по принципу: если к; = xто можно реализовать такой-то вариант.

Результаты решения задачи на конкретном примере показали работоспособность и эффективность предложенной в диссертации методологии проектирования развития мощности и структуры сети железных дорог региона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертационной работе создана методология формирования исходного множества альтернатив (ИМ А) и допустимого множества альтернатив (ДМА) развития мощности и структуры сети железных дорог на стадии аванпроектирования, позволяющая на основе многокритериальной оценки выделить их эффективную область для принятия решений по проектированию развития мощности и структуры сети железных дорог региона в различных технико-экономических ситуациях.

2. В качестве методологической основы принятия решений принят системный подход. В диссертации разработана системная модель сети железных дорог; сформулированы основные системотехнические понятия, ориентированные на сеть железных дорог; рассмотрены применительно к сети железных дорог основные системотехнические принципы - физичность, моделируемость, целенаправленность; даются системные описания сети железных дорог - макроскопическое, микроскопическое, функциональное, иерархическое, процессуальное; разработана системная структура управления функционированием и развитием сети железных дорог в рамках административных границ железной дороги.

3. Реализация процедуры формирования альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог невозможна без масштабной и глубокой информационной базы. *В диссертации построена общая информационная база для назначения альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог. Общая информационная база включает в себя три частные информационные базы: для оценки технического состояния сети железных дорог, для расчёта технических показателей альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог, для расчета экономических показателей альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог. Разработанные автором теоретические принципы построения информационных баз реализованы при создании АРМ "Служба пути", "Анализатор", "Инженер тяговых расчетов".

4. В диссертации разработана новая методология формирования альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог. Сеть железных дорог рассматривается в виде территориально распределенной анизотропной технической системы, в которой циркулируют потоки грузов и пассажиров. Структура такой системы адекватно отображается в виде графа сетевого типа, а сама система представляется как монотонная. Теория графов эффективно используется в сочетании с методами булевой алгебры, матричного анализа, монотонных систем. Эти и другие методы составляют математический аппарат, используемый здесь.

Сформулирована существенная постановка задачи, включающая два этапа: первый - формирование исходного множества альтернатив развития сети железных дорог, включающего абсолютно все возможные альтернативы (ИМА), второй - сужение ИМА до допустимого множества альтернатив (ДМА) по критериям полносвязности сети. Математическая постановка задачи содержит два этапа: первый - формирование ИМА с использованием булевых структурных функций, второй - сужение ИМА до ДМА с помощью ограничений, сформулированных в виде равенств, неравенств, процедур кодирования и алгоритмов.

Проведена классификация сетей железных дорог в зависимости от их конфигурации. Построены булевы структурные функции для основных классов сетей: приводимых, неприводимых разложимых, неприводимых произвольных. Рассмотрены и проиллюстрированы примерами методы формирования ИМА развития мощности сетей разных структур с помощью конструирования булевых функций непосредственно для приводимых сетей, декомпозицией относительно особого элемента для разложимых сетей, кодированием произвольных сетей. Для всех исследуемых структур изложены принципы сужения ИМА до ДМА по критериям полносвязности и приведены примеры их реализации.

Рассмотрены и проиллюстрированы примерами методы формирования ИМА развития структуры сетей железных дорог, также показаны теоретически на примерах способы сужения ИМА до ДМА по критериям полносвязности.

5. Применительно к сети железных дорог сформулированы основные понятия инвестиционного проекта, субъекта и объекта инвестиций, перечисляются этапы создания и реализации проекта, вводится представление о масштабах проекта. Рассматриваются социальные последствия

инвестиционного проекта развития мощности и структуры сети железных дорог.

Большое внимание уделяется экономическим показателям

инвестиционных проектов развития мощности и структуры железных дорог. Впервые для оценки экономической эффективности проектов развития мощности и структуры сети железных дорог рассматривается группа показателей: чистый дисконтированный доход; индекс доходности; внутренняя норма доходности; а также традиционный показатель - срок окупаемости.

Для приведения разновременных экономических показателей к их ценности в начальном периоде предлагается использование преобразования Лапласа. В табличном виде приведены формулы соответствия преобразования Лапласа между экономическими показателями, зависящими от времени (оригиналами), и дисконтированными формами (изображениями). Рассмотренный пример использования преобразования Лапласа показал достаточно высокую сходимость с прямым расчетом.

6. Введена группа показателей, которая используется для оценки надежности функционирования сети железных дорог: коэффициент готовности линий; . коэффициент простоя линий; коэффициент готовности сети; коэффициент простоя сети.

Описывается с помощью операции математического ожидания переход от ¡структурных функций сети к ее показателю надежности - коэффициенту готовности.

• : Рассмотрены показатели надежности - коэффициент готовности для сетей с различной структурой: последовательной, параллельной, последовательно-параллельной, параллельно-последовательной, приводимой, неприводимой. Приведены примеры расчета коэффициента готовности сети.

Рассмотрены показатели надежности альтернатив развития мощности и структуры реального полигона сети Тайшет-БАМ-Транссиб, включающей узлы: Тайшет, Тында, Ургал, Комсомольск-на-Амуре, Хабаровск, „Известковая, Бамовская.

7. В работе создана методология отыскания эффективной области альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог на основе теоретических положений по формированию ИМ А и ДМА и их оценки с помощью критериев экономической и технической эффективности перевозок. Описана процедура решения задач.

Рассмотрены теоретические основы метода сечений для исследования эффективности развития сети мостиковой структуры, к которой относится сеть Тайшет-БАМ-Транссиб, и вид ее структурных функций. На конкретном примере сети с мостиковой структурой продемонстрирована методика отыскания области допустимых альтернатив. С помощью метода сечений выявлены "узкие" места в работе сети, а по критерию эффективности перевозок выявлено влияние отказов на сроки доставки грузов и резервы провозной способности линий сети. Приведена процедура определения экономически рациональных размеров перевозок на линиях сети и их дальнейшей загрузки.

Рассмотренный пример продемонстрировал работоспособность предложенной в работе методологии решения задачи развития мощности и структуры сети железных дорог.

8. Создана стратегия решения проблемы развития сети железных дорог Дальневосточного региона в условиях рыночных отношений на основе разработанных в диссертации теоретических положений. Построена расчётная модель сети железных дорог Дальневосточного региона и проведен технико-экономический анализ её состояния. Для сети железных дорог Дальневосточного региона сформировано ИМА сети и произведено его сужение до ДМА. В сети железных дорог Дальневосточного региона выявлены первоочередные для реконструкции линии. Определены диапазоны рациональной загрузки линий по техническому и экономическим критериям. Сформирована доминирующая последовательность альтернатив мероприятий развития мощности сети железных дорог Дальневосточного региона, представляющая собой информацию для лица, принимающего решения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гончарук С.М. Вопросы формирования многовидовой транспортной сети малоосвоенных районов // Вопросы повышения качества и эффективности проектных решений железных дорог /Межвуз.сб.науч.тр. / Тр. МИИТа.- 1978.-Вып. 614.-С.53-61.

2. Гончарук С.М. Метод оптимизации этапного развития транспортной сети малоосвоенных районов // Вопросы строительства, экономики и эксплуатации на железнодорожном транспорте / . МИИТа, Вып. 478.- 1975.-С. 32-40.

3. Гончарук С.М., Анисимов В.А., Шварцфельд B.C., Лаукерт Я.И. Вопросы перспективного развития транспортной сети Дальнего Востока / / (Тезисы) Материалы 4-й Всесоюзной конференции по проблемам хозяйственного освоения зоны БАМ.- Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1986.-С. 10-14.

4. Гончарук С.М. Некоторые аспекты этапного наращивания мощности железнодорожной транспортной сети ДВЭР // Вопросы проектирования и усиления железных дорог ДВ: Сб.науч.тр.- Хабаровск: ХабИИЖТ, 1988.-С. 5-8.

5. Гончарук С.М., Анисимов В.А., Скрипачева Н.Л. Оценка сметной стоимости удлинения приемо-отправочных путей на станциях // Вопросы проектирования и усиления железных дорог ДВ: Сб.науч.тр.- Хабаровск: ХабИИЖТ, 1988.-С. 8-10.

6. Гончарук С.М., Шварцфельд B.C., Калинцев О.В. Анализ факторов, влияющих на движение грузовых поездов с установленными скоростями на Уссурийском отделении ДВЖД // Тр.ин-та / ХабИИЖТ.-Хабаровск, 1989.- С. 41-47.

7. Гончарук С.М., Шварцфельд B.C. Обеспечение безопасности движения грузовых поездов на Сахалинском отделении ДВЖД по условию прочности пути // Повышение безопасности движения на железных дорогах: Сб.науч. тр.-Хабаровск: ХабИИЖТ, 1989.- С. 52-54.

8. Гончарук С.М., Калинцев О.В. Разработка системы для оперативного анализа факторов, влияющих на движение поездов с установленными скоростями // Тезисы докладов XXXYI научно-технической конференции, том 2. Хабаровск: ХабИИЖТ, 1989.- С. 126-127.

9. Гавриленков A.B., Гончарук С.М. Методология разработки оптимальной технологии перевозочного процесса по критериям технической и экономической эффективности и безопасности движения // Тр.ин-та/ Московский ин-т инж.ж.-д. транспорта.-1990.- вып. 842.

10. Солодовников Б.И., Гончарук С.М. Транспортные подходы к морским портам // Транспортное строительство,- N 5.- 1991.

11. Гончарук С.М., Калинцев О.В. Методика экономической оценки влияния неблагоприятных природных факторов на работу железных дорог Сахалина//Тр.ин-та/ Хабаровский ин-т инж.ж.-д. транспорта.-1992.-С. 4-10.

12. Гончарук С.М., Гончарук А.П. Критерий прибыли при решении задач полигона железных дорог // Тр.ин-та / Хабаровский ин-т инж. ж.-д. транспорта.-1992.- С. 23-25.

13. Гончарук С.М., Калинцев О.В. Выбор критерия технической эффективности для проектирования развития железнодорожного направления// Тр.ин-та/ Хабаровский ин-т инж.ж.-д. Транспорта.- 1992.-с.53-57.

14. Анисимов Вл.А., Гончарук С.М. Критерии оценки мероприятий по увеличению мощности железных дорог с учётом надёжности функционирования её элементов //Тр.ин-та /Хабаровский ин-т инж. ж.-д. Транспорта.-1992-с.72-80.

15. Гончарук С.М., Солодовников Б.И., Гавриленков A.B., Быков Ю.А., Васильев А.Б. Разработка концепции формирования вариантов развития сети железных дорог Дальнего Востока // Выбор технических параметров и вопросы теории проектирования железных дорог в условиях Дальнего Востока /Межвуз.сб.науч.тр.-Хабаровск: ХабИИЖТ, 1992.-c.4-12.

16. Гончарук С.М., Кондратенко М.В. Моделирование процесса влияния основных показателей работы на выбор вариантов развития мощности постоянных устройств // Труды ин-та / Хабаровский ин-т инж.ж.-д: тр-та, 1992.-с. 89-94.

17. Гончарук С.М. Информационная база для назначения альтернатив развития полигона железных дорог. Деп. в ЦНИИТЭИ, №5883-жд93.-16 с.

18. Гончарук С.М. Информационная база для определения прибыли по возможным альтернативам развития полигона железных дорог (ПЖД) // Деп. в ЦНИИТЭИ, 1993, 5884-жд93 .-16с.

19. Гончарук С.М. Системный подход к обоснованию развития мощности полигона железных дорог (ПЖД) // Деп. в ЦНИИТЭИ,1993, Мг5885-жд93.-93-22с.

20. Гончарук С.М., Солодовников Б.И. Основные положения концепции развития железнодорожной сети острова Сахалин // "Проектирование ж.д. в сложных природных условиях: Межвуз.сб. науч.тр.- Хабаровск: ХабИИЖТ, 1994. С. 50-56.

21. Гончарук С.М., Калинцев О.В. Определение рациональных размеров перевозок на железнодорожном направлении.// Транспорт и связь. Часть 1: Межвуз.сб.науч.тр.- Хабаровск: ДВГАПС, 1994.-С. 24-28.

22. Гончарук С.М., Анисимов Вл.А. Системное представление железнодорожного направления для решения задачи увеличения его мощности //"Совершенствование и теории и практики проектирования, реконструкции и эксплуатации железных дорог: Межвуз.сб.науч.тр.-Хабаровск: ДВГАПС, 1994.-С. 51-57.

23. Гончарук С.М., Анисимов Вл. А. Автоматизированная система поддержки принятия решений по увеличению мощности железнодорожного направления // Совершенствование теории и практики проектирования, реконструкции и эксплуатации железных дорог: Межвуз.сб.науч.тр,-Хабаровск: ДВГАПС, 1994,С. 57-62.

24. Гончарук С.М., Григоренко В.Г., Солодовников Б.И. Проблемы и стратегия развития многовидовой транспортной системы Дальнего Востока в рыночных отношениях. // Тезисы докладов науч.-практич. конф. "Проблемы транспорта Дальнего Востока"- Владивосток: ДВГАПС, 1995.-С.22

25. Гончарук С.М., Анисимов В.А. Методика определения вероятности обеспечения пропуска потребного грузопотока к пунктам схода // Тезисы докладов научн.-практич. конф. "Проблемы транспорта Дальнего Востока".-Владивосток: ДВГМА, 1995.-С. 23-24.

26. Гончарук С.М., Калинцев О.В. Определение рациональных размеров перевозок на железнодорожном направлении / / Тезисы докладов научн.-практич. конф. "Проблемы транспорта Дальнего Востока".-Владивосток: ДВГМА, 1995,- С.93-94.

27. Гончарук С.М., Солодовников Б.И. Проблемы увеличения мощности Байкало-Амурской магистрали для освоения природных ресурсов //.Тезисы докладов научно-техн.конф,- Хабаровск: ДВГАПС, 1995, С. 77-78.

28. Гончарук С.М., Крапивный В.А., Солодовников Б.И. Основные концептуальные предложения по разработке проекта увеличения объемов перевозок к морским портам Дальнего Востока // Тезисы докладов региональной научно-техн.конф.- Хабаровск: ХГТУ, 1995.-С. 167-168.

29. Гончарук С.М., Калинцев О.В. Определение рационального состояния железнодорожного направления при заданных объемах перевозок // Тезисы докладов региональной научно-техн.конф.- Хабаровск: ХГТУ, 1995,- С. 168-169.

30' Гончарук С.М. Стратегия отыскания эффективной области альтернатив для принятия решений по развитию мощности сети железных дорог региона // Деп. в ЦНИИТЭИ от 26.02.96, №6035-жд 96.-45с.

3]. Гончарук С.М. Методология формирования альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог // Деп. в ЦНИИТЭИ от 26.02.96. №6036-жд96.-64с.

С.М. Гончарук.

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАЗВИТИЯ

МОЩНОСТИ И СТРУКТУРЫ СЕТИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ. • ' • * * *

Подписано к печати 16.05.96. ЛР №080004; ПЛД №79-19. Формат 60x84/16. Усл.п.л. 2,8. Уч.-изд.л.2,0. Зак. 63. Тираж 100.

* * *

Редакционно-издательский отдел ДВГАПС.

Типография ДВГАПС.

680056, Хабаровск, ул. Серышева, 47.