Содержание к диссертации
Введение
1 Промышленно-транспортные системы и узлы. Методический и практический опыт формирования схем 14
1.1 Анализ существующих проектных решений развития промыш-ленно-транспортных узлов. 14
1.2 Структура поездо- и вагонопотоков промышленных узлов (на примере юга России) 27
1.3 Состав, типы и перспективная классификация узлов 34
1.4 Существующие методы теоретического обоснования размещения, проектирования и эксплуатации элементов железнодорожных промышленных транспортно-технологических систем
1.4.1 Особенности эмпирических подходов в решении задач о размещении и их недостатки 55
1.4.2 Влияние социальных и экологических факторов на проектирование транспортных коммуникаций б 1
1.5 Выводы по главе 70
2 Основные факторы, определяющие эффективность размещения и использования комплекса станционных устройств в промышленных узлах 72
2.1 Внешние и внутренне факторы, влияющие на размещение станционных устройств 72
2.1.1 Существующая топология и техническое состояние железнодорожных устройств в узлах 75
2.1.2 Основные зависимости мощности станционных устройств 82
2.1.3 Системы организации вагонопотоков при различных схемах размещения станционных устройств 89
2.2 Выбор критериев расчета расположения промышленных пред приятий и технологических станционных устройств в узле
2.3 Существующие модельные схемы, имитирующие состояние объектов и их положение в узле 99
2.3.1 Взаимодействие элементов транспортных систем как формы слияния или комбинации устройств с различными свойствами 99
2.3.2 Выбор модели перехода подвижного состава по фазам обслуживания на станциях и в узлах 106
2.3.3 Понятие скорости обслуживания в модели связного перехода подвижного состава. Критериальный подход к выбору модели 115
2.4 Выводы по главе 121
3 Разработка математических моделей функционирования взаимоувя занного комплекса производственно-транспортно-складских устройств вузлах 123
3.1 Исследование порогового значения мощности значимых факторов с переходом проектируемой транспортной системы в новое качественное состояние 123
3.2 Модели рационального размещения промышленных сортировочных, распределительных и сырьевых станций в узлах 129
3.3 Моделирование генерального плана агрегированного комплекса узла с рациональным размещением производственно транспортно-технологических систем 140
3.4 Модели рационального размещения терминальных складских комплексов в промышленно-транспортных узлах 158
3.4.1 Оптимизация размещения выгрузочных терминалов и грузо распределительных центров в узлах 158
3.4.2 Системно-матричное представление транспортно технологических и складских систем 166
3.5 Формирование общесистемных критериев оценки проектных решений по размещению транспортно-технологических устройств в узлах 179
3.6 Выводы по главе 182 4 Применение разработанных методов рационального размещения
устройств промышленно-транспортньгх систем 184
4.1 Выбор основных системологических парадигм рационального проектирования 184
4.2 Структурные схемы системного представления научных методов расчета и проектирования элементов промышленно-транспортньгх узлов 188
4.3 Понятие блочно-связного комплекса устройств при автоматизации проектирования и размещения предприятий в промышленном узле 195
4.4 Визуализация топологических структур железнодорожного путевого развития узлов 205
4.5 Выводы по главе 214
5 Эффективность предлагаемой теории концентрации транспортно технологических систем в промышленно-транспортных узлах 216
5.1 Разработка вариантов этапного переустройства промышленных узлов согласно перспективным программам модернизации транспорта юга России 216
5.2 Экономическая целесообразность создания выгрузочных транспортно-складских комплексов (накопительных терминалов) в промышленных узлах 222
5.3 Экономический эффект внедрения разработанной теории концентрации транспортно-технологических систем в узлах 230
5.4 Выводы по главе 247
Заключение 250
Список использованных источников 256
- Существующие методы теоретического обоснования размещения, проектирования и эксплуатации элементов железнодорожных промышленных транспортно-технологических систем
- Выбор критериев расчета расположения промышленных пред приятий и технологических станционных устройств в узле
- Модели рационального размещения терминальных складских комплексов в промышленно-транспортных узлах
- Понятие блочно-связного комплекса устройств при автоматизации проектирования и размещения предприятий в промышленном узле
Введение к работе
Актуальность темы исследования. За 170 лет существования отечественного железнодорожного транспорта он был и остается источником и предпосылкой значительных успехов в жизни российского общества. На современном этапе деятельность магистральных и промышленных железных дорог заключается в эффективном удовлетворении рыночного спроса на транспортные услуги, повышении конкурентоспособности, достижении экономической эффективности и финансовой устойчивости, создании системы государственно-частного партнерства в целях реализации государственной политики в области экономики, обороны и развитии социальной сферы.
Железнодорожные промышленные транспортно-технологические системы (ТТС) являются важнейшим макроэлементом страны. От их надежной и экономичной работы зависит успех регионального развития и эффективность российской транспортной политики.
Особое место в производственно-транспортной структуре России занимает Северо-Кавказский экономический регион (СКЭР). Известно, что СКЭР – самый многонациональный район России с территорией площадью 355,1 тыс. км2. Здесь проживает более 40 национальностей. По численности населения (17,7 млн чел.) СКЭР занимает третье место в РФ после Центрального и Уральского регионов. Средняя плотность населения района – 49,8 чел. на км2, что более чем в 5 раз выше, чем в целом по России. На территории СКЭР размещены как сравнительно «молодые» по вводу в эксплуатацию, так исторически сложившиеся промышленно-транспортные системы практически всех видов и отраслей экономики (машиностроительная, угольная, нефтехимическая, цементная, пищевая, легкая промышленность, многоотраслевое сельскохозяйственное производство), имеется 12 припортовых станций, 9 международных портов, 3 крупнейших в РФ нефтеперевалочных базы.
Благодаря уникальному расположению между тремя морями (Черным, Азовским, Каспийским) по территории СКЭР проходят важнейшие транспортные коридоры мультимодальных и интермодальных перевозок (Восток – Центр – Запад, Центр – Север и Юг, международные транспортные коридоры № 7 – Дунайский и № 9 – Критский, автомобильная магистраль «Кавказ»).
Практика проектирования ТТС в условиях внедрения новых транспортных технологий требуют и новой методологии в размещении элементов промышленно-транспортных узлов. Потребность исследования таких вопросов обостряется имеющими место противоречиями в производственно-транспортном развитии. В настоящих условиях, несмотря на экономические коллизии, необходимо продолжать исследования вопросов рациональности компоновочных решений на основе новых критериев оценки и принятия вариантов.
Актуальность рассматриваемых проблем усиливается имевшей место хаотичной приватизации региональных железнодорожных транспортно-технологических инфраструктур, кризисными явлениями в экономики, промышленным строительством на основе корпоративных интересов.
Исследование вопросов проектирования железнодорожных промышленных ТТС основывается на богатых научных традициях, изложенных в отечественной и зарубежной научной литературе.
Методология проектирования промышленно-транспортных узлов обоснована в работах академиков И.П. Бардина, М.А. Павлова, В.Н. Образцова, докторов технических наук, профессоров С.П. Бузанова, А.С. Герасимова, С.Д. Гибшмана, П.Ф. Дубинского, С.В. Земблинова, И.И. Костина, В.Д. Никитина, Ф.И. Шаульского, К.Ю. Скалова, Н.Е. Ускова и многих других. Такие выдающиеся ученые и инженеры, как С.С. Берлянд, А.А. Волнин, А.С. Гельман, К.П. Костенецкий, С.И. Лабадин, А.Н. Неллингер, Л.Е. Плешков по праву считаются создателями российской школы генпланов.
Важный вклад в развитие современной теории взаимодействия видов транспорта, системного анализа транспортных проблем, проектирования транспортно-технологических и складских систем узлов внесли доктора технических наук, профессора Е.В. Архангельский, В.М. Акулиничев, В.И. Апатцев, В.И. Арсёнов, М.М. Болотин, В.В. Багинова, А.К. Головнич, И.А. Еловой, А.Т. Дерибас, В.А. Дмитриев, Ю.И. Ефименко, Б.Б. Жардемов, А.Я. Калиниченко, И.Т. Козлов, А.В. Кутыркин, П.В. Куренков, Б.А. Лёвин, Б.Л. Миротин, О.Б. Маликов, Э.А. Мамаев, А.Т. Осьминин, В.Я. Негрей, В.М. Николашин, Н.В. Правдин, В.В. Повороженко, В.А. Персианов, М.Б. Петров, С.М. Резер, А.А. Смехов, Н.К. Сологуб, Н.Н. Шабалин, В.А. Шаров, М.И. Шмулевич, В.Г. Шубко и другие ученые.
Теория управления региональным развитием исследована в трудах ученых-экономистов: А.Г. Аганбегяна, Д.М. Гвишиани, Б.М. Лапидуса, Н.Я. Петракова, Н.П. Терешиной и др.
Проблемы проектирования генеральных планов и транспорта промышленных предприятий, управления промышленными транспортными системами также рассмотрены в трудах Д.К. Белова, Т.П. Воскресенской, В.Н. Дегтяренко, Н.П. Журавлева, С.Н. Корнилова, А.Я. Локтева, В.А. Неверова, А.Н. Рахмангулова, М.Н. Стефаненко, В.И. Тиверовского, Б.Ф. Шаульского и др.
Однако в настоящее время задача реконструкции и развития ТТС сталкивается с трудностями поиска оптимальных мест размещения предприятий и транспортных коммуникаций. Современные решения по размещению элементов железнодорожных промышленных ТТС не всегда отвечают требованиям рациональности вследствие сложности и многовариантности задач: строительство промышленно-транспортных объектов производится однократно, а эксплуатация – в течение многих десятилетий. Целостная концепция системного подхода к вопросам рационального проектирования и размещения элементов ТТС находится в стадии формирования.
Существующие возможности развития промышленного производства СКЭР (8 % от общих объемов промышленности и 16 % от производства сельского хозяйства РФ) должны быть подкреплены новыми рациональными методами в размещении и проектировании промышленно-транспортных коммуникаций с учетом экологических и социальных составляющих.
Целью диссертационного исследования является разработка новой комплексной теории рационального размещения элементов железнодорожных промышленных транспортно-технологических систем с учетом значимых факторов.
Решаются следующие основные задачи:
- исследование научного, методического и практического опыта формирования схем железнодорожных промышленных ТТС;
- влияние основных факторов, определяющих эффективность размещения и использования элементов транспортно-технологических комплексов;
- разработка новой методики системной классификации промышленно-транспортных узлов с учетом современных требований и логистических концепций;
- определение условий, определяющих эффективность размещения и использования комплекса станционных объектов железнодорожных транспортно-технологических систем с учетом влияющих факторов;
- разработка новых моделей функционирования взаимоувязанного комплекса производственно-транспортно-складских устройств на основе применения методов математического программирования, теории вероятностей и массового обслуживания;
- разработка инструментария практического моделирования генерального плана агрегированного комплекса промышленно-транспортного узла с рациональным размещением производственно-транспортно-технологических систем на основе новых критериев оценки;
- практическое исследование возможностей рационального размещения центров поездных и маневровых нагрузок промышленно-транспортного узла; грузораспределительных комплексов, накопительных терминалов и производственно-транспортных подсистем;
- внедрение разработанных методов рационального размещения элементов железнодорожных промышленных ТТС в практику проектирования, в том числе автоматизированного.
Объектом исследования является техническое оснащение, компоновочные решения и технология работы основных железнодорожных промышленно-транспортных узлов Северо-Кавказского экономического региона и промышленных ТТС других регионов, взаимодействующих с СКЭР.
Предмет исследования – методология традиционного и автоматизированного проектирования генеральных планов железнодорожных промышленно-транспортных узлов и распределительных систем.
Методологической основой исследования послужили труды отечественных и зарубежных ученых в области проектирования и размещения элементов железнодорожных промышленных ТТС, применения методов системного анализа, экономико-математического программирования, теории графов, массового обслуживания в моделировании транспортных систем, а также программные документы, законодательные и нормативные акты Правительства РФ по развитию транспорта, региональные статистические данные. Эмпирические данные получены автором в процессе непосредственного обследования железнодорожных промышленных ТТС СКЭР.
На защиту выносятся:
1. Концепция и теоретическое обоснование размещения элементов железнодорожных промышленных ТТС на принципах рациональности.
2. Комплекс методов рационального размещения производственно-транспортно-технологических и складских систем промышленных узлов на основе системно-матричного моделирования.
3. Методы и оценочные критерии компоновочных решений размещения элементов транспортно-технологических систем при проектировании генпланов промышленных узлов.
4. Экономико-математические модели распределения внутрисистемного грузопотока размещаемых элементов ТТС на основе минимума транспортных расходов.
5. Практический инструментарий реализации проектов рациональных компоновок ТТС на основе созданных программных научных комплексов.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- определена концепция размещения и проектирования ТТС с выделением новых требований системной классификации промышленно-транспортных узлов;
- впервые разработана теория рационального размещения элементов железнодорожных промышленных ТТС на основе универсального методологического подхода;
- создана методика системно-матричного представления железнодорожных промышленных ТТС и комплекс математических моделей с критериями рациональности, адаптированных к условиям проектирования;
- разработана модификация критерия оптимальности метода двойного предпочтения при размещении объектов и создана на ее основе методика последовательности выбора объектов в зависимости от вида транспорта;
- сформирована интегральная функция оценки эффективности проектного решения по размещению элементов ТТС относительно установленных критериев надежности, энтропии и уровней организации производственно-транспортных структур;
- определены основные системологические парадигмы рационального проектирования и установлены механизмы их использования на основе прикладных программных комплексов постановки задач и принятия решений.
Практическая значимость и реализация результатов исследования. Разработанные автором в диссертации методы, модели и алгоритмы решения задач реализованы в программных научных комплексах: «узел», «станция», «сортировочный комплекс», «размещение», «терминал», «путевое развитие», которые позволяют в автоматизированном режиме размещать и проектировать элементы транспортно-технологических систем узлов с учетом взаимодействия различных видов транспорта при перевозках грузов.
Разработанная в диссертации методология рационального размещения и проектирования элементов ТТС реализована проектными институтами:
«Кавжелдорпроект» г. Ростов – при компоновке вариантов реконструкции складских комплексов Чертково, Невинномысская, Донская-Промышленная Ставропольского края и новом строительстве терминалов Ростовского и Крымского узлов; при разработке масштабных планов основных станций главного хода северного направления Сев.-Кав. ж. д.; при формировании рекомендаций по переустройству станций Крымская, Адлер, 9 км;
ОАО «Мосгипротранс» г. Москва, отдел «Станций и узлов» – при разработке технического проекта накопительно-перегрузочного терминала в районе 9 км Крымского узла; при реконструкции четной сортировочной системы станции Лихая;
Службой перевозок Северо-Кавказской железной дороги – при зонировании территории предприятий северо-западного промузла с грузовой станцией Ростов-Западный; при развитии Крымского, Новороссийского транспортных узлов; при переустройстве важнейших сортировочных станций дороги (Батайск, Краснодар, Лихая). Теория принципиального развития промышленного узла при размещения транспортно-складских объектов внедрена в логистическом центре СКЖД с выбором размещения терминального комплекса на станции Заречная Ростовского узла.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку: на Международной научно-практической конференции Ростовского государственного строительного университета (РГСУ, г. Ростов н/Д, 1997 г.); на Четвертой Международной научно-практической конференции «Телекоммуникационные и информационные технологии на транспорте России – ТелеКомТранс-2006» (г. Сочи); на LXVI Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (г. Днепропетровск, ДИИТ, Транспортная академия Украины, май 2006 г.); на научно-теоретических и научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Ростовского государственного университета путей сообщения (РГУПС) в 2000–2009 гг. Результаты исследований докладывались и были одобрены на расширенных заседаниях и семинарах кафедр «Станции и грузовая работа» и «Управление эксплуатационной работой» РГУПС; «Организация перевозок и дорожного движения» РГСУ; «Железнодорожные станции и узлы» МИИТа и ПГУПС (ЛИИЖТа) в 2007 – 2009 гг.
Результаты диссертации также использовались при подготовке учебных курсов «САПР ж.-д. станций», «Проектирование пассажирских, грузовых станций и узлов», «Контейнерно-транспортная система», «Технология и автоматизация проектных работ», «Железнодорожные станции и узлы» РГУПС и РГСУ; в курсовом и дипломном проектировании, о чем получен акт внедрения и гранты Северо-Кавказской и Приволжской железных дорог.
Публикации. Результаты авторских исследований опубликованы в 55 печатных научных работах. Из них по теме диссертации – 37 работ общим объемом 35 п.л., в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК – 11, в двух монографиях и четырех главах учебника для вузов «Железнодорожные станции и узлы промышленных районов».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и шести приложений. Общий объем работы – 368 страниц, 124 иллюстрации, 85 таблиц. Список использованных источников включает 196 наименований.
Существующие методы теоретического обоснования размещения, проектирования и эксплуатации элементов железнодорожных промышленных транспортно-технологических систем
Новороссийский промышленно-транспортный узел — это одновременно важнейший морской торговый порт на юге России и центр строительно-химической индустрии. Схема Новороссийского ПТУ представлена на рис. 2 (прил. 1) с вариантом развития, разработанным в п. 5.3 диссертации;
Ставропольский промышленный узел и Невинномысский промышленный центр имеют предприятия общероссийского значения газовой (Северо-Ставропольское, Анастасиевско-Троицкое и др. месторождения), горнодобывающей и химической (Невинномысский «Азот», Прикумский завод пластмасс) промышленности. В узле также развито машиностроение, энергетическая (Ставропольская и Невинномысская ГРЭС), легкая и пищевая промышленность.
Нальчинский промышленный узел известен производством вольф-рамо-молибденового промпродукта (Тырныаузский горно-металлургический комбинат), предприятиями искусственных алмазов, абразивных материалов и кабельной продукции. В узле также развита пищевая промышленность.
Владикавказский промышленный узел оснащен регионально значимым свинцово-цинковым производством (завод «Электроцинк»), имеются горнодобывающие и обогатительные предприятия медных руд, предприятия электросварочной аппаратуры и автотракторного оборудования, химическая, строительная и пищевая промышленность.
Махачкалинский промышленно-транспортный узел с крупнейшим портом Каспийского моря имеет развитый трубопроводный транспорт, нефтяную, энергетическую (каскада ГЭС на реке Сулак), машиностроительную, стекольную, пищевую, рыбную и легкую промышленность.
Особое место в структуре промышленности Юга России занимает сравнительно молодой по вводу в действие (с 1978 г.) Волгодонский промышленно-транспортный узел энергетического машиностроения (рис. 1.4). Особенностью узла является оснащение производственно - транспорт 23
ной зоны новостройками-гигантами: атомной электростанцией (АЭС введена в эксплуатацию в XXI веке), заводом «Атомкотломаш» по производству котельного оборудования и реакторов, заводами-спутниками — «Электромаш», «Электроприбор», «Аккумуляторный», резинотехнических изделий и строительной индустрии. Из наиболее крупных предприятий старой застройки узла (до 80-х годов) являются речной порт, завод ЖБИ.
Важнейшими для производственно-экономических и транспортных связей СКЭР являются основные промузлы Поволжья (Волгоградский, Астраханский), Калмыкии (Элистинский), юга Украины (Донецкий, Луганский, Днепропетровский). Сырье и полуфабрикаты (особенно для металлообработки) поступают из узлов добывающей промышленности Урала, Восточной Сибири, узлов металлургической промышленности Магнитогорска, Черепо-вецка, Липецка, Оскола, Волжска. Ниже рассмотрены их укрупненные технологические схемы и эксплуатационные показатели.
Магнитогорский промышленно-транспортный узел (рис. 3, прил. 1) является одним из старейших узлов черной металлургии. ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК, г. Магнитогорск) - производит самый широкий сортамент металлопродукции среди предприятий России и СНГ: от слябовых, заготовочных, сортовых профилей, катанки - до высокотехнологичной продукции четвертого и пятого переделов, качественной холоднокатаной ленты и белой жести. В сортаменте основного объема реализации на внутреннем рынке более 56 % составляет листовой прокат.
Для выплавки 1 т стали на комбинате с полным металлургическим циклом требуется перевозка примерно 12 т руды, флюсов, шлака и других грузов, из которых до 8 т перемещается в пределах предприятия, а общий объем перевозок на 1 т стали по отрасли составляет 20,7 т. Свыше 98 % всех внешних перевозок на металлургическом предприятии осуществляется магистральным железнодорожным транспортом. Они составляют 22 % в структуре перевозимых им грузов.
Схема ВОЛГОДОНСКОГО промышленного узла энергетического.машиностроения На рудных карьерах черной металлургии промышленным железнодорожным транспортом перевозится до 50 % сырья, автомобильным транспортом - 40 % и прочими видами транспорта - до 10 %. В металлургических промузлах межцеховые перевозки выполняются: 72 % - железнодорожным транспортом, 21 % — конвейерным и специальным, 7 % — автомобильным транспортом [88, 133].
В табл. 1 (прил. 1) представлены расходы материалов предприятий черной металлургии с грузооборотом от 500 тыс. т до 10 млн т в год с разграничением по видам сырья [88]: кусковая железная руда и рудный концентрат, известняк для доменного цеха, известняк для аглофабрики.
Основные металлургические предприятия России построены по проектам Гипромеза, в том числе крупнейшие предприятия с полным металлургическим циклом: Новолипецкий, Череповецкий, Западно-Сибирский, Кузнецкий, Магнитогорский, Челябинский, Карагандинский, Таганрогский и др.
Сортовой прокат, отправляемый на экспорт через портовые промыш-ленно-транспортные узлы Северного Кавказа, производится основными металлургическими комбинатами: ОАО «Оскольским электрометаллургическим комбинатом» (рис. 4, прил. 1) [26]; ОАО «Северсталь» - важнейшим предприятием Череповецкого ПТУ; ОАО «Мечел» (г. Челябинск).
Схемы компоновки металлургических комбинатов с доменным производством отличаются значительной занимаемой территорией и плотным размещением основных предприятий и производств (коэффициент застройки более 0,5). Транспортная система (рис. 5, прил. 1) предусматривает кольцевой вариант движения железнодорожного подвижного состава с примыканием к одной или нескольким заводским сортировочным станциям (сырьевым).
Выбор критериев расчета расположения промышленных пред приятий и технологических станционных устройств в узле
Важнейшим видом промышленного транспорта является железнодорожный транспорт, хотя большие затраты на начально-конечные операции, значительные простои вагонов в пунктах формирования и расформирования делают его нецелесообразным при короткопробежных перевозках. В сравнении с ним автомобильный транспорт более мобилен, выполняет перевозки «от двери до двери», не требует больших затрат на начально-конечные операции. Он экономичен при короткопробежных перевозках. Для отдельных грузов это расстояние различно и колеблется от 100 до 200 км.
В крупных промышленно-транспортных узлах на долю железных дорог приходится значительная доля грузоперевозок, а в некоторых узлах с тяжелой промышленностью - это основной объем. Так, на долю железнодорожного транспорта Магнитогорского узла приходится 92 % общего объема перевозок, Нижне-Тагильского - 89 %, Дебальцево-Должанского — 96 %, Карагандинского — 79 %, Гуково-Зверевского — 95 %. Протяженность железнодорожных линий этих узлов достигает 700 км, число железнодорожных станций приближается к 32 [33, 47, 56, 88, 151, 159].
Взаимодействие железнодорожных транспортных систем общего пользования и узловых осуществляется на станциях стыкования (промышленных сортировочных, сырьевых, распределительных) или на передаточных парках (приемо-сдаточных путях). Промышленные и общесетевые станции в узле работают по единой технологии с вагонами и локомотивами обеих систем, используя маневровые, поездные передвижения, включая кольцевые замкнутые маршруты.
В крупных промышленных узлах может быть несколько грузовых станций. Их положение связано с группировкой промышленных предприятий в узле, количеством и объемом работы промышленных зон (площадок).
Так как промышленные станции являются стыковыми пунктами по передаче грузопотока, то в условиях большого объема погрузочно-разгрузочных работ неизбежно создание складской системы, компенсирующей неувязку ритма и неравномерность работы транспорта и производства. Выбор вида складской системы также оказывает влияние на размещение станционных устройств.
Топология путевого развития железнодорожных устройств узла должна удовлетворять условиям минимума маневровых пробегов, оптимальной потребности в локомотивах и рабочем персонале, обеспечивать наименьшее время оборота вагонов и локомотивов, удобство связи с внутризаводскими путями и линиями (станциями) общего пользования.
Однако, многообразие функций железнодорожных станций промышленного узла, тесная связь с предприятиями различных отраслей" народного хозяйства зачастую «размывают» границы уровней схемной топологии.
Например, в узлах металлургической промышленности с большим путевым развитием и большим количеством внутриузловых станций роль распределительной и распорядительной станции выполняет одна из сортировочных станций. На рис. 2.2 представлена тупиково-кольцевая схема размещения внутризаводских станций Магнитогорского комбината. Заводская сортировочная станция расформировывает поезда по внутриузловым станциям и формирует поезда назначением на общесетевую сортировочную станцию. Объем работы внутризаводских станций достигает 1000 и более вагонов в су тки. ,
Организация работы железнодорожных станций и узлов в условиях развития и концентрации производства невозможна без переустройства, технического переоснащения и удлинения приемоотправочных путей. Как отмечал в своей работе [126] А.Т. Дерибас: «Ежегодный рост на 5-8 % объема выпускаемой предприятиями продукции, строительство новых баз снабжения . видоизменяет и усложняет работу грузовых станций». Например, в настоящее время полезная длина станционных путей в основных узлах СКЭР составляет в основном 850 м и менее, что позволяет водить грузовые составы из 53-57 вагонов. При увеличении массы поезда до 5000 тонн и длины до 1000 м (71 вагон) требуется переоснащение железнодорожных устройств. Например, в табл. 2.2 приведено наличие приемоотправочных путей и их длина на станциях основных узлов СКЭР. Из нее видно, что более 50 % станций имеют короткую длину путей: до 720 м - 14 %; до 849 м - 40 %; до 1049 м - 35 %; свыше 1050 м - 11 %.
Согласно намеченной программе удлинения приемоотправочных путей определены основные направления развития станций Лиховского, Гуковско-го, Шахтинского, Новороссийского, Тимашевского, Таманского (Крымского) узлов. Сравнительные диаграммы существующих полезных длин приемоот правочных путей станций узлов приведены на рис. 2, прил. 2 [48, 54].
Одним из основных недостатков существующих станций большинства узлов местной промышленности СКЭР является отсутствие современных технических средств, используемых при расформировании и формировании составов. Даже на таких крупных станциях, как Минеральные Воды, Кавказская, Тихорецкая, нет сортировочных горок малой мощности, тормозных по-зиций, ускорителей или замедлителей вагонов. Сортировочная работа выполняется, в основном, толчками с использованием силы тяги маневрового локомотива и тормозных башмаков (табл. 1, прил. 2).
Многие распределительные и сырьевые станции юга России, обслужи- . вающие предприятия угледобывающей и строительной индустрии, перерабатывают по 200-300 вагонов в сутки. К сожалению, путевое развитие и особенно их техническая оснащенность остаются очень слабыми, поэтому ими затрачивается значительно больше энергоресурсов на маневровую работу по сравнению с нормативными расходами (ст. Шахтная, рис. 3, прил. 2).
В топологии путевого развития железнодорожных устройств промыш 78 ленных узлов можно выделить два вида типичных схем: 1 - промышленный узел пересекает одна железнодорожная линия общего пользования и подъездные пути предприятий примыкают последовательно к грузовым станциям участка; 2 — в промузле проходит несколько линий магистральных железных дорог, на территории района имеется большое количество предприятий с промышленными станциями и внутренними соединительными путями.
Заводские промышленные станции, в соответствии с принятой классификацией, делятся на тупиковые и сквозные, расположенные параллельно или последовательно обслуживаемой промышленной зоне.
Схемы входных станций обычно являются двухпарковыми, состоящими из приемоотправочного и сортировочного парков, оснащенных вытяжным сортировочным тупиком тіли тупиковым путем специального профиля, так как объем сортировочной работы здесь невелик. Схемные топологии таких станций представлены на рис. 4, прил. 2.
Грузовые станции выполняют основной объем массовой погрузочно-разгрузочной и перегрузочной работы в узле. Это станции универсальные или специализированные, обслуживающие распределительные складские комплексы, товарно-сырьевые базы, центральные обогатительные фабрики, горно-обогатительные комбинаты, портовые терминалы и т.п. На таких станциях параллельно приемоотправочным путям устраиваются пути выгрузки массовых грузов, оснащенные вагоноопрокидователями и непрерывными видами транспорта. Например, на рис. 5 (прил. 2) приведена схема выгрузочной станции ТЭЦ Новочеркасского узла.
Модели рационального размещения терминальных складских комплексов в промышленно-транспортных узлах
Эффективность взаимодействия элементов транспортных систем зависит от мощности станционных устройств в сочетании геометрического образа объекта и технологии обработки грузопотока. В зависимости от уровня . транспортно-технологической составляющей железнодорожные транспортные системы можно разделить на три класса [117]: 1 - простые объекты (а-класс), включающие в себя стрелочные переводы, круговые кривые, пути станций, простые стрелочные улицы,. 2 - объекты с варьируемым техническим оснащением (/?-класс), включающие горловины станций, выставочные, обменные, подъездные пути, по- грузочно-выгрузочные устройства. Данная группа технологически связывает простые и сложные объекты; 3 - сложные объекты (у-класс), представляющие собой композиционную форму с разноплановым внутренним наполнением (грузовые районы предприятий, специализированные заводские парки и промышленные станции, ремонтно-экипировочные устройства).
Для определения образов и классов элементов систем в сложной окружающей обстановке используются методы теории распознавания [78, 150], основанные на разделах кибернетики. Так, различные виды стрелочных улиц объединяются в класс горловин железнодорожных станций. Виды соединений путей, парков, взаимного размещения путевых устройств объединяются в классы раздельных пунктов. В свою очередь, класс железнодорожных станций является элементом более широкого класса железнодорожного узла, а далее — транспортно-технологической системы.
На каждом этапе распознавания имеется конечный набор классов (внутрисистемных объектов), которые можно выразить конечным множест 100 вом W = {A,B,C,D,....,Z}. Каждый класс содержит множество объектов. Образ объекта - совокупность конечного числа свойств объекта - представляется в виде «-мерного вектора х = (xj, Х2, ..., x,J, компоненты которого количественно характеризуют свойства образа.
Геометрически в я-мерном пространстве объекты одного класса характеризует некоторая область, отличающаяся от областей объектов другого класса. Задача распознавания объектов может быть в принципе решена, если в пространстве образов проведены поверхности, которые разделяют это про-странство на области, содержащие точки образов разных классов.
Например, имеются два класса объектов транспортно-технологической системы: региональные грузовые накопительные терминалы {А) и транс-портно-складские комплексы предприятий (В). Обозначим через Ао = {ah аъ..., ат} и Во — {bj, b2, ...., b,J множества предварительно изучаемых образцов этих классов. Примем, что х — это образ исследуемого нового объекта. Мерой близости этого образа к классам А и В являются величины S (х, А) и S (х, В), представляющие собой средние квадраты расстояний от точки х до точек, соответствующих образцам классов А и В.
Тогда для среднего значения меры близости составят 1 т S(x,A) = -YJd2(x,ai) S(x,B) = -JJd2(x,bj) где cf(x, a.j), (х, bj) — квадрат расстояния от точки х до точек множества предварительно изученных образцов А0 и Во Полученная поверхность С, разделяющая образцы обоих классов, имеет точки, удовлетворяющие условию S (х, А) = S (х, В). Однако возможны случаи ошибочного отнесения объекта к чужому классу. В этом случае необходимо устанавливать меру (относительное число) неправильно распознанных объектов. Для характеристики меры «транспортного тяготения» объектов узла 101 (промышленных зон) в зависимости от расстояний между ними можно использовать интерпретированную гравитационную модель [119] JAQfliQj Щ Щ = Р: где Шц - величина транспортного потока между промзонами узла; р - коэффициент пропорциональности, причем для узлов добывающей промышленности коэффициент пропорциональности выше, чем для обрабатывающих узлов; TAQi Yi{Qj — годовой грузооборот (объем производства) г-й и у-й промышленных зон, т; Dtj — расстояние между промышленными зонами, км.
Эффективность выполнения транспортно-технологических операций в промышленном узле зависит от взаимодействия системных элементов с различными свойствами. Учитывая этот факт, технологические линии обслуживания грузо- и поездопотоков (7}) в узле должны быть совмещены с соответствующим уровнем технического оснащения станционных структур (Pj) и пространственным расположением ( ) (рис. 2.10).
Таким образом, ряд трансформационных действий (композицию соответствий), сводящих технологические операции, мощность путевого развития и пространственное положение системных объектов представим в виде произведений множеств, характеризующих элементы ТТС узла. Ч = (fTi, Т2,..., Tit l [Plt Р2 ..., Pj], Q),QQTXP г = ({Pi,Р2,...,Pj),{SltS2 Sk,},R),RQPxSh z = (&!, T2,..., Tb I {Slt S2,..., Sk, IZIZQTX S) где {Tlt T2,..., Ті,} — подмножество технологических операций; \Р1,Р2, ...,Pj] — подмножество вариантов станционных структур (промышленных объектов); {SltS2, —,Sk,} - подмножество пространственных положений системных элементов; Q,R,Z- композиции соответствий подмножеств. Ограничивающим критерием является совпадение области значений первого соответствия с областями определений второго и третьего соответствия Up2Q = Щ-Jl, UptZ = Up3Q, Up2Z = Пр3Д.
Композиция соответствий подмножеств {технологические операции, вариант станционной структуры} и г ={вариант станционной структуры, пространственное положение} запишется в виде q(f) = (T,S,QOR). Аналогично определяются другие композиции соответствий по вариантам подмножеств, характеризующих состояние объектов и их положение в узле.
Важной особенностью зависимости технологии работы и путевого развития железнодорожной подсистемы узла является определение вероятност-ных связей Уф которые регламентируют (у=1), допускают (0 Уц 1) или исключают (Уу= 0) связи технологических операций и путевого развития при выполнении данной операции.
Для определения устойчивых последовательностей связей технологических операций с передачей подвижного состава по элементам путевого развития промышленной железнодорожной сети разработана матричная форма (табл. 2.4).
Понятие блочно-связного комплекса устройств при автоматизации проектирования и размещения предприятий в промышленном узле
Проектирование промышленно-транспортных узлов традиционными ручными методами связано со значительными трудностями при многовариантном выборе внутриузловых размещений предприятий и поиске наилучшего варианта компоновки. В диссертации создан универсальный методологический подход к поиску рационального размещения элементов ТТС на основе системно-матричного представления объектов и комплексного использования методов теории вероятностей и массового обслуживания, имитационного моделирования, теории информации, теории графов в сочетании с модифицированными методами математического программирования.
Новый метод формализации узловых объектов состоит из нескольких этапов моделирования.
Для начального формирования системной матрицы генерального плана агрегированного комплекса производственно-транспортно-технологических систем промышленного узла может использоваться существующий вариант размещения пр дгщшггий с учетом положения центров поездных и маневровых нагрузок, типовых компоновок предприятий и производств, автодорог, общеузловых сооружений, норм отвода земель и зонирования территории (рис. 3.7).
Методика преобразования схемы промышленного узла в системно-матричную форму представлена в виде последовательности действий: 1 - фиксируются центры распределения грузопотоков промышленного узла со стороны железнодорожного, автомобильного, водного и других видов транспорта с назначением точек входа груза (сырья) (tex): заводские сортировочные, распределительные, сырьевые станции; и точек выхода (t6blx): примыкание предзаводских площадок к магистральной автодороге или другим видам транспорта; 2 - определяются положения селитебной (СЗ) и защитных зон (33) по намечаемому уровню размещения и виду развития производства, категории промышленности и перспективе роста; 3 - намечается исходное местоположение и размеры производственно-заводской зоны (ПЗЗ) в соответствии с грузопотоками и площадями предприятий, топологией узла, нормам отвода земель, требованиями СНиП, экологическими, социальными и архитектурными требованиями. С учетом всех ограничений размеры предприятий приняты прямоугольной формы. Предприятия с наименьшими геометрическими размерами принимаются за исходный модуль зоны, а остальные рассчитываются по отношению к ней с использованием коэффициента кратности; 4 — определяются размеры транспортно-складской зоны (ТСЗ) для каждого предприятия по величинам годовых грузопотоков, технологии производства и складирования, уровню организации погрузочно-разгрузочных работ, роду груза; 5 - рассчитываются размеры и площади предзаводской (технологической) и административной зоны — ПЗА каждого предприятия с учетом установленных размеров ПЗЗ и ТСЗ, а также выбор наименьшего и пересчет других ПЗА по коэффициенту кратности.
На рис. 3.8 приведена системно-матричная форма представления генерального плана узла обрабатывающей промышленности для решения задачи рационального размещения объектов в соответствии с разработанной методикой. Предприятиям с преобладающим грузопотоком присваиваются порядковые номера рядов размещения j и порядковый номер уровня размещения объектов к. Для предзаводской зоны ряды размещения у разбиваются на подряды и, а уровни размещения объектов ПЗА (g) - на подуровни т.
По рядам системной матрицы прямоугольными контурами показана ширина ТСЗ, ПЗЗ и ПЗА предприятий, по уровням - их длина. Центры тяжести объектов (кроме ПЗЗ) отмечены знаком плюс + .
С учетом прокладки коммуникаций, путевого развития, расположения общеузловых объектов, точек входа и выхода грузопотоков длина системной матрицы узла увеличивается для каждой зоны.
Если принять стоимость строительства объекта (ТСЗ, ПЗЗ, ПЗА) на любом ряде и уровне примерно одинаковой (различие только в длинах коммуникационных сетей), то в удельных приведенных транспортных расходах учитываются себестоимость перевозок грузов и доля (процент) их изъятия из оборотных средств (стоимость массы груза на «колесах»).
При компоновке генерального плана промышленного узла учитываются экологическая совместимость смежного расположения производств; «роза ветров» для рассматриваемого региона; вид транспорта общего пользования и транспорт предприятия для доставки грузов. Каждое производство объединяет в себе ТСЗ, ПЗЗ и ПЗА в виде ряда системной матрицы. Непосредственно производственные мощности ПЗЗ (цехи, комбинаты и т.п.) обозначаются в виде «блока» и прикрепляются к соответствующему ряду.
Постановка задачи: на заданной территории промыишенно-транс-портного узла при известных местополооїсениях центров поездных и манев-ровых нагрузок, селитебных и защитных зон, необходимо так разместить предприятия и производства с транспортно-складскими и предзаводскими зонами, чтобы суммарные приведенные транспортные расходы на внутри-узловые перевозки были минимальными.
Экономико-математическая модель вариантов размещения узловых объектов по минимуму расстояний перевозки грузов имеет вид: где Tl(L) — годовые приведенные расходы на перевозку грузов, тыс. руб.; L Є I — вектор, определяющий расстояния перевозки грузов видами транспорта для Z—множества вариантов размещения узловых объектов; і — количество предприятий узла (/ = 1, ..., п); j — количество рядов размещения предприятий на уровнях ТСЗ (/ = 1,..., г); &- количество уровней ряда ТСЗ матрицы {к = 1, ..., z); g — количество уровней ряда ПЗА матрицы (g = 1, ..., И); и - количество подрядов размещения предприятий на уровнях ПЗА матрицы {и = 1, ..., v); т - количество подуровней размещения объектов на зоне ПЗА системной матрицы (т = 1, ...,р); С/ад, C,-aDT, С Г - стоимость перевозок 1 т /-го рода груза железнодорожным, автомобильным и промышленным (заводским) транспортом, руб./т-км; Е„ - коэффициент приведения капитальных вложений к текущим затратам; Kj , К\ К/Эт - одноэтапные капитальные вложения в подвижной состав и инфраструктуру железнодорожного, автомобильного, промышленного (заводского) транспорта, руб.; Lyk , Lyk - расстояния перевозки /-го груза от точки входа железнодорожным транспортом до центра тяжести ТСЗ предприятия нау -м ряде размещения k-то уровня матрицы узла и промышленным транспортом от центра тяжести ТСЗ до центра тяжести ПЗЗ, км; Lijugm , J-4juSm — расстояния перевозки z-ro груза промышленным транспортом от центра тяжести ПЗЗ до центра тяжести склада зоны ПЗА нау-м ряде размещения и-то подряда размещения g-ro уровня и т-то подуровня зоны ПЗА системной матрицы и автомобильным транспортом от центра тяжести склада ПЗА до точки выхода, км;
Qi пр(атр)Жд, Qi пр(оп.рЛ Qi нрСстар/" раСЧеТНЫЙ ГОДОВОЙ объем Прибытия (ОТ правления) грузов і-го предприятия железнодорожным, промышленным (заводским) и автомобильным транспортом, т.
