Содержание к диссертации
Введение
Первая глава. Основные положения структурной реформы, проводимой на железнодорожном транспорте. Зарубежный опыт реформирования железнодорожного транспорта
1.1.Основные положения структурной реформы 16
1.2. Зарубежный опыт в области реформирования железнодорожного транспорта 23
1.3.ГТроблемы, современные задачи реформирования отрасли 48
1.4. Экономическая эффективность передачи вагонов в собственность операторским компаниям 57
1.5.Влияние структурной реформы на организацию вагонопотоков 72
1.6.Выводы 78
Вторая глава. Проблемы организации вагонопотоков и управления ими в условиях наличия различных собственников подвижного состава
2.1.История развития теории организации вагонопотоков (расчета плана формирования поездов) 81
2.2. Современное состояние вагонного парка и направления повышения эффективности его работы 98
2.3.0 взаимосвязи грузопотоков и вагонопотоков и о понятиях «управление грузопотоками» и «управление вагонопотоками» применительно к специфике работы магистрального железнодорожного транспорта 103
2.4.Определение факторов, оказывающих влияние на организацию вагонопотоков 122
2.5.Математическая постановка задачи по оптимальной организации вагонопотоков и управлению ими с учетом затрат, отдаленных во времени, на основе принципов финансовой безубыточности 132
2.6.Выводы 150
Третья глава. Разработка модификации классического метода расчета плана формирования поездов
3.1.Модификация метода совмещенных аналитических сопоставлений 151
3.2. Анализ и тестирование работоспособности предлагаемого модифицированного метода совмещенных аналитических сопоставлений 160
3.3.Предлагаемый подход к расчету плана формирования поездов с учетом принадлежности подвижного состава различным собственникам 164
3.4.Выводы 169
Четвертая глава. Экономико-математические модели оптимального управления вагонопотоками с учетом наличия ьразличных собственников подвижного состава
4.1 .Постановка проблемы снижения размерности транспортных задач 170
4.2. Эквивалентность классической транспортной задачи, решаемой методами линейного программированию, ее постановки как задачи оптимизации потоков в сетях 179
4.3 .Оптимальное планирование вагонопотоков с учетом возврата порожних вагонов различных собственников 190
4.4.Оптимальное использование порожних вагонов, принадлежащих иностранным государствам 203
4.5.Выводы 225
Пятая глава. Принципы разработки автоматизированной системы организации вагонопотоков (плана формирования поездов)
5.1.Анализ современного состояния автоматизированной системы организации вагонопотоков (АСОВ) 227
5.2.Предлагаемые принципы разработки автоматизированной системы по расчету плана формирования поездов (АС РПФП).. 253
5.3.Использование предложенных принципов при разработке автоматизированной системы расчета плана формирования поездов 254
5.3.1 .Назначение системы 254
5.3.2.Взаимосвязь АС РПФП с другими системами 266
5.3.3.Расчет эксплутационных расходов по операциям перевозочного процесса для оптимизации плана
формирования поездов 268
5.4.Выводы 278
Заключение 279
Литература
- Зарубежный опыт в области реформирования железнодорожного транспорта
- Современное состояние вагонного парка и направления повышения эффективности его работы
- Анализ и тестирование работоспособности предлагаемого модифицированного метода совмещенных аналитических сопоставлений
- Эквивалентность классической транспортной задачи, решаемой методами линейного программированию, ее постановки как задачи оптимизации потоков в сетях
Введение к работе
Российские железные дороги являются самым надежным и эффективным видом транспорта, они занимают особое место в экономике нашего государства. Устойчивая и надежная работа железнодорожного транспорта имеет существенное значение для обеспечения хозяйственных и межрегиональных связей, целостности российской государственности, обороны и безопасности страны. На долю железных дорог, если не считать трубопроводный транспорт, приходится более восьмидесяти процентов отечественного грузооборота. В отрасли трудится 1,5 млн. человек, а это 2 % трудоспособного населения России [164].
В этой связи реформе железнодорожного транспорта отводится важная роль в поддержании социально-экономической стабильности в стране и обеспечении роста эффективности экономики. Целью проводимой в отрасли реформы является повышение эффективности и качества железнодорожных перевозок, сбалансирование их стоимости для товаропроизводителей, снижения транспортной составляющей в конечной цене продукта.
Необходимость реформирования отрасли вызвана несколькими причинами. Системный анализ современного состояния железнодорожного транспорта России и тенденций его развития показывает, что, несмотря на его стабильную работу, существует ряд серьезных проблем.
Одним из важных вопросов при реформировании являются система организации вагонопотоков и управление ими на сети железных дорог России в условиях наличия различных собственников подвижного состава.
Факторы, показывающие необходимость нового теоретического подхода к задаче организации вагонопотоков и управления ими в условиях реформирования отрасли, можно разделить на экономические и правовые.
К экономическим относятся:
Зарубежный опыт в области реформирования железнодорожного транспорта
Анализ реализованных структурных реформ железнодорожного транспорта в ведущих странах Европейского союза — Великобритании, Германии, Франции и Швеции - позволяет объективно оценить различные подходы к структурной реформе железнодорожного транспорта в России [114]. В качестве сопоставляемых параметров для анализа взяты начальные условия реформ, основные структурные решения и их результаты за 7-8 летний период.
На начало реформы железнодорожного транспорта в европейских странах имелись следующие условия: - начальная точка отсчета - 1991 год: принятие директивы Европейского союза "О развитии предприятий железнодорожного транспорта ЕС", определившей необходимость проведения реформы и ее условия; наличие к началу реформы опыта функционирования государственных железнодорожных компаний в качестве хозяйствующих субъектов; серьезные финансовые проблемы: большая задолженность, убыточность пассажирских перевозок, потеря значительной доли рынка из-за растущей конкуренции со стороны других видов транспорта; - отсутствие проблемы перекрестного субсидирования, так как убыточные пассажирские перевозки как общественно значимые услуги субсидировались государством; - высокий уровень интегрирования отрасли, технического прогресса и качества обслуживания пользователей; - готовность государства к оказанию необходимой поддержки: погашение задолженности, продолжение субсидирования убыточных видов перевозок, вложение инвестиций в инфраструктуру и в ряде случаев, как, например, в Германии, к решению социальных проблем работников отрасли; - требование международных организаций (прежде всего ЕС) ускорить начало и проведение либеральных реформ; фактическое отсутствие значения фактора национальной безопасности для данной отрасли.
В июле 1991 г. Европейский Совет принял директиву №440, излагающую основные направления политики ЕС в области железнодорожного транспорта и содержащую в себе перечень требований к железным дорогам стран - членов ЕС [114].
Директива 91/440 явилась важным дополнительным стимулом реформы и в то же время существенно повлияла на ее содержание. Согласно директиве 91/440 от стран - членов ЕС требуется: придать их национальным железнодорожным системам полную хозяйственную самостоятельность; оздоровить их финансовое положение и списать либо реструктурировать их долгосрочную задолженность; отделить инфраструктуру от эксплуатационной деятельности, по крайней мере, в финансовой сфере (полное организационное разделение допускается, но не является обязательным) и не допускать перераспределения субсидий; гарантировать на справедливых коммерческих условиях свободный доступ третьих сторон к пути и другим необходимым элементам железнодорожной инфраструктуры; установить, что выполнение социально значимых функций может быть возложено на железные дороги только при условии наличия соответствующих финансовых компенсации.
В задаче реформирования железных дорог Великобритании, решение которой началось в 80-х годах, можно выделить два наиболее важных и определенным образом взаимосвязанных аспекта: реформирование отношений железных дорог с государством и перестройка организационной структуры самих железных дорог. Первый аспект в условиях Великобритании включал в себя приватизацию железных дорог (национализированных лейбористским Правительством вскоре после Второй мировой войны) и принятие строго оформленной юридической системы взаимных обязательств государства и железных дорог (ряда полугосударственных и частных компаний, которые должны были возникнуть в результате их структурной реорганизации), предусматривающих размер и целевое назначение государственных субсидий, с одной стороны, и сохранение определенного минимума и качества услуг - с другой.
Второй аспект заключался во внутренней структурной перестройке железных дорог, которая должна была создать условия для их последующей приватизации. Эта перестройка предполагала разукрупнение железных дорог и выделение возможно большего числа структурных единиц с самостоятельной финансовой и бухгалтерской отчетностью.
Современное состояние вагонного парка и направления повышения эффективности его работы
В последние годы, несмотря на стабильную работу железнодорожного транспорта, перед отраслью накопился ряд серьезных проблем. Одной из основных проблем является старение вагонного парка и ухудшение показателей его использования.
С момента разделения с 1993 года вагонного парка СССР между государствами СНГ и Балтии темпы выбытия вагонов опережали темпы ввода новых вагонов (рис. 2.1.). Одновременно с сокращением вагонного парка происходит увеличение его износа (табл. 2.1).
Анализ динамики качественных показателей эксплуатационной работы (табл. 2.2) показывает, что в последние годы происходит ухудшение использования вагонного парка, что наглядно проявляется в увеличении оборота и падении производительности вагона.
На железных дорогах и департаментах МПС (ЦД, ЦМ ЦВ, ЦЧУ) введен в постоянную эксплуатацию и действует в течение полутора лет комплекс информационных технологий «Автоматизированной системы пономерного учета, контроля дислокации, анализа использования и регулирования вагонного парка (ДИСПАРК)» - 25 задач дорожного и сетевого уровней. Пономерное слежение за всеми грузовыми вагонами в реальном масштабе времени с учетом места их дислокации и состояния, интегральная обработка этих сведений позволили выявить ряд недостатков в организации работы вагонных парков МПС, других администраций, собственности предприятий и арендованных вагонов. Согласно анализу, проведенному ВНИИАС совместно с ГВЦ МПС средствами автоматизированной системы [материал предоставлен ЦД МПС РФ], на ряде железных дорог грузовые вагоны используются далеко не эффективно. О чем свидетельствуют следующие данные:
1. Количество порожних вагонов рабочего парка РЖД, не выполнивших ни одной погрузки в течение месяца, составило в среднем за второе полугодие 2001 г. 19,8 тысяч. Из них находилось в движении (перемещались) между дорогами 5,4 тысячи и не выходили за пределы дороги 14,4 тысячи порожних вагонов.
2. Более 120 тысяч вагонов рабочего парка МПС имели в течение каждого месяца второго полугодия 2001 г. Только одну погрузку, в том числе по родам подвижного состава: полувагоны — 27,4 тысяч, цистерны - 35, 8 тысяч.
3. Ежемесячно во втором полугодии на сети РЖД находилось без работы в порожнем состоянии от 5 и более суток 32,3 тысячи вагонов, в том числе в ожидании погрузки 10,2 тысячи вагонов, после погрузки 11,7 тысяч вагонов, после выхода из ремонта 3,6 тысяч вагонов. Количество полувагонов рабочего парка, длительное время (более 10 суток) находящихся в порожнем состоянии без работы, составило в среднем посети 10,3 тысячи. Если учесть, что в 2001 г. не подано под погрузку по вине железных дорог 99470 вагонов, то станет ясно, что по этой причине МПС понесло убытки в размере свыше 1 млрд. рублей.
4. То же можно сказать по работе с вагонами других администраций. Если в 2000 г. положительное сальдо во взаиморасчетах между странами СНГ и Балтии в пользу МПС составило 16,8 млн. швейцарских франков, то в 2001 г. МПС потерпело убытки по итогам взаиморасчетов за год в размере 40,6 млн. швейцарских франков.
5. Как известно, РЖД несут значительные убытки от нарушения сроков доставки грузов. В 2001 г. они составили 102,9 млн. рублей, то есть возросли по сравнению с 2000 г. в 3,8 раза. Автоматизированной системой берется подконтроль и этот процесс. Большое внимание повышению эффективности использования вагонного парка уделено в "Программе структурной реформы на железнодорожном транспорте", которая утверждена Постановлением Правительства от 18.05.2001 г. №384. Программа предусматривает выделение в системе железнодорожного транспорта естественно-монопольной и конкурентной (потенциально конкурентной) сферы.
К естественно-монопольной сфере деятельности относятся услуги, оказываемые инфраструктурой железнодорожного транспорта. К конкурентной сфере деятельности — перевозка грузов, а также весь комплекс транспортно-экспедиционных и сервисных услуг.
Создание конкурентной сферы в системе железнодорожного транспорта планируется путем организации операторских компаний и налаживание взаимоотношений между ними и МПС. По мнению авторов Программы независимые, конкурирующие между собой фирмы-операторы будут стремиться к привлечению дополнительных объемов перевозок и уменьшению расходов.
Это приведет к снижению транспортных затрат промышленных предприятий.
Однако на сегодняшний день отсутствуют научно-обоснованные подходы, которые позволяли бы давать экономическую оценку принимаемых решений по передаче вагонного парка МПС частным операторским компаниям. Поэтому возникает необходимость в их разработке.
Анализ и тестирование работоспособности предлагаемого модифицированного метода совмещенных аналитических сопоставлений
Общая постановка задачи основана на следующих предпосылках: 1. Задан расчетный полигон транспортной сети, содержащий п станций Pt (іє1,п) и участки Sy (iel,nj є1,п), где Sy - /, если станции Pt и Pj соединены участком и 0 в противном случае. 2. Заданы вагонокорреспонденции (или «шахматка» вагонопотоков) Ny, где / - номер станции зарождения (отправления) вагонопотока; j — номер станции его погашения (прибытия). 3. Заданы m маршрутов следования вагонопотоков (все возможные или только необходимые для расчета) Rk (кє1,т), где каждый маршрут Rk представляет собой последовательность технических станций расчетного полигона. 4. Для каждой станции Р( заданы величины ct и mt. 5. Для каждой станции Р{ задана величина Тжі - приведенная экономия от проследования одного транзитного вагона через станцию Р, без переработки. Имеется возможность задавать норматив Тжі для одной и той же станции дифференцированно в зависимости от направления следования вагонопотока, то есть для различных систем сортировочных станций. Это важно, так как расчет ведется одновременно в четном и нечетном направлениях.
Расчет оптимального плана формирования одногруппных поездов осуществляется в следующем порядке:
1. Проверяют соответствие вагонопотоков, корреспондирующих между начальными и конечными станциями каждого из маршрутов Rk, общему достаточному условию (3.3); удовлетворяющие этому условию струи выделяются в отдельные назначения оптимального варианта плана.
2. Составляется исходный график назначений, который представляет собой схему всех возможных сквозных назначений для каждого из маршрутов Rk, с указанием для каждого из них наибольшего размера вагонопотока N, который можно включить в поезда данного назначения и экономии Х- Х эк cimt приведенных вагоно-часов от выделения данного назначения, где / — начальная, у — конечная станция поездов данного назначения. При выборе очередного сквозного назначения проводится проверка на вхождение его в предыдущие маршруты. Если оно уже учтено, то в таком случае назначение исключается из дальнейших расчетов. У+1 3. Назначение с наибольшей экономией М Тэк —cimi приведенных Rk ,+1 вагоно-часов, определяется исходным для отбора оптимальных назначений. Если исходное назначение является единственным, дающим экономию приведенных вагоно-часов, его сразу включают в план формирования поездов и на этом его расчет прекращается.
При нескольких сквозных назначениях с экономией приведенных вагоно-часов последовательно проверяется целесообразность замены исходного назначения: - одним из наиболее дальних назначений, удовлетворяющих (по отношению к исходному) достаточному условию (3.2). Если таких назначений несколько, к рассмотрению принимают наиболее дальнее; - двумя или несколькими соприкасающимися назначениями, общий путь следования которых совпадает с рассматриваемым (наиболее дальним или исходным) назначением или превышает его на один участок (в любом направлении следования вагонопотока) или на два участка (в обе стороны); - назначением, сдвинутым на один участок (в любом направлении). При проверке сопоставляют экономию приведенных вагоно-часов по сравниваемым схемам. Из схемы с большей экономией в оптимальный вариант плана формирования отбирается исходное или замещающее его назначение.
4. Вагонопотоки, вошедшие в отобранное оптимальное назначение, исключаются из дальнейшего рассмотрения. Для оставшихся вагонопотоков составляют откорректированный график назначений, по нему определяют новое исходное назначение и в соответствии с предыдущим пунктом — следующее оптимальное.
В этой последовательности расчеты ведутся до тех пор, пока в графике назначений останутся только те, которые не удовлетворяют необходимому условию (3.1).
Алгоритм расчета оптимального плана формирования поездов модифицированным методом совмещенных аналитических сопоставлений приведен на рис. 3.2.
Главное отличие разработанного метода от закрепленного в Инструктивных указаниях по организации вагонопотоков на железных дорогах СССР заключается в задани[невозможных маршрутов движения поездов между граничными станциями. Такая организация расчета позволяет только производить расчет на разветвленных полигонах, но и значительно сократить время расчета на больших полигонах, исключая заведомо нерентабельные маршруты следования вагонопотоков.
Исходные данные для расчета можно получать двумя путями: в ручном и автоматическом режимах.
Ручной режим больше приспособлен для расчета плана формирования \ поездов на небольших полигонах, так как ввод вручную исходных данных для больших, реальных полигонов требует значительных временных затрат. Например, при расчете плана формирования поездов на Куйбышевской железной дороге оперируют 86 станциями, а на Октябрьской железной дороге - 180 станциями, из которых на 96 осуществляется формирование поездов. " " "
В автоматическом режиме исходные данные выбираются из таблиц базы данных Автоматизированной системы по расчету плана формирования поездов (АС РПФП) [107] за соответствующий расчетный период. В АС РПФП исходные данные берутся из действующих автоматизированных систем: АСОУП и ЕК ИОДВ. Алгоритм расчета оптимального плана формирования поездов модифицированным методом совмещенных аналитических сопоставлений приведен на рис. 3.2.
Главное отличие разработанного метода от закрепленного в Инструктивных указаниях по организации вагонопотоков на железных дорогах СССР заключается в задании возможных маршрутов движения поездов между граничными станциями. Такая организация расчета позволяет не только производить расчет на разветвленных полигонах, но и значительно сократить время расчета на больших полигонах, исключая заведомо нерентабельные маршруты следования вагонопотоков.
Эквивалентность классической транспортной задачи, решаемой методами линейного программированию, ее постановки как задачи оптимизации потоков в сетях
Следовательно, если задача (4.1) разрешима, то задача (4.2) так же разрешима и её значение не превышает значения задачи (4.1). С другой стороны, для каждого допустимого плана {yIJ,zJk,wkl;ieI,jeJ,keK,leI} задачи (4.2) рассмотрим соотношения (4.3) как систему линейных уравнений относительно переменных {xljkl;i є I,j eJ,k є K,l є /}. Можно показать, что если числа aniel,bj,j &J,ck,keK целые, то система уравнений (4.3) имеет неотрицательное целочисленное решение, которое удовлетворяет ограничениям задачи (4.1). Интуитивно наличие такого решения представляется очевидным: представим себе реализацию плана задачи (4.2) в виде конкретных вагонопотоков и на каждом вагоне "отметим" его маршрут /-»./-»-»/. Тогда для построения допустимого плана задачи (4.1), удовлетворяющего соотношениям (4.3), достаточно каждому маршруту поставить в соответствие количество вагонов, перемещаемых по этому маршруту. Таким образом, поставив в соответствие допустимому плану задачи (4.3) некоторое (любое) неотрицательное целочисленное решение системы уравнений (4.3), мы тем самым поставим этому плану в соответствие допустимый план задачи (4.1). Нетрудно убедиться, что при этом значения целевых функций задач (4.2) и (4.1) на соответствующих планах совпадают. Следовательно, если задача (4.2) разрешима, то задача (4.1) так же разрешима и её значение не превышает значения задачи (4.2), т.е. значения задач (4.1) и (4.2) совпадают. Задачи (4.1) и (4.2) естественно считать эквивалентными в контексте рассматриваемой задачи оптимального планирования. При этом если, так же как и ранее, имеется по 10 пунктов различного типа то в задаче (4.2) будет 3-10 переменных и 60 ограничений-равенств, т.е. размерность задачи (4.2) существенно меньше размерности задачи (4.1). Поэтому модель (4.2) следует считать более удачной, чем модель (4.1) . Обратим внимание на пары ограничений задачи (4.2) с одинаковыми правыми частями. Они выражают условие баланса потоков вагонов поступающих и покидающих данный пункт. Именно это обстоятельство позволяет говорить о потоковой структуре решений рассмотренной задачи и наводит на мысль с самого начала использовать в качестве её математической модели задачу о построении потока минимальной стоимости в подходящей транспортной сети.
Настоящая глава построена так, чтобы продемонстрировать силу и гибкость предлагаемого метода применительно к различным задачам оптимального планирования, возникающих в современной практике организации вагонопотоков на российских железных дорогах. В качестве основного параметра рассматриваемых задач на основании которого оцениваются затраты на перемещение одного вагона при реализации конкретного плана перевозок выбрано время необходимое для этого перемещения. Этот выбор не является традиционным (обычно при расчёте затрат на перемещение одного вагона в качестве основного параметра выбирают либо расстояние по железнодорожной сети на которое перемещается вагон, либо стоимость перемещения) и нуждается в комментариях. Во-первых, фактические затраты на перемещение вагона определяются именно временем, затрачиваемым на это перемещение, а не пройденным при этом путём, так как если два вагона перемещены по одному и тому же маршруту, но за разное время то, можно предположить, что затраты на перемещение будут большими для того вагона, время перемещения которого было больше. Во-вторых, использование времени в качестве основного параметра позволяет естественным образом рассматривать модели с задержками вагонов при их передвижении, учитывать загрузку направлений, участков и станций железнодорожной сети, простои вагонов под грузовыми операциями и т.п. В третьих, при использовании в перевозках вагонов, принадлежащих иностранным государствам, арендная плата за это использование является возрастающей кусочно-линейной функцией времени [15]. Такая структура арендной платы тоже может быть учтена в соответствующих моделях, если в качестве основного расчётного параметра выбрано время. В четвёртых, время является одним из основных факторов, определяющим риск принимаемого решения при организации вагонопотоков. Хорошо известно, что нарушение по каким-либо причинам графика движения может привести и приводит к значительным задержкам в доставке грузов и, следовательно, к финансовым потерям [129]. Наконец, в моделях, не учитывающих простоев вагонов, при желании можно перейти от времени к расстоянию и наоборот, используя тот факт, что путь, пройденный вагоном равен времени нахождения вагона в пути, умноженному на среднюю коммерческую скорость движения.
Практическая реализация предлагаемого метода предусматривает наличие эффективного метода построения потока минимальной стоимости в однополюсной транспортной сети. В настоящее время разработано довольно много алгоритмов построения потока минимальной стоимости [151,163]. Наиболее популярные из них используют в процессе своей работы модификацию исходной сети в зависимости от имеющегося в ней потока и могут быть разбиты на два класса в соответствии с типом процедуры улучшения потока: в одном случае сначала строится произвольный допустимый поток заданной величины и для его улучшения используется алгоритм поиска циклов отрицательного веса в модифицированной сети, а в другом оптимальный поток строится постепенно и для его построения используется алгоритм нахождения кратчайшего пути между двумя узлами в сети с произвольными по знаку весами. Алгоритмы первого класса восходят к работе Клейна [9] и имеют полиномиальную оценку скорости сходимости, в то время как для алгоритмов второго класса, базирующихся на работе Бусакера и Гоуэна [159], вообще говоря, не существует полиномиальной оценки скорости сходимости.
