Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Краткий обзор и анализ отечественных научных исследований
1.2 Постановка задачи определения технико-технологических параметров работы сортировочной станции 16
1.3 Выводы 19
2 Методика определения технико технологических параметров работы сортировочной станции с использованием системы дифференциальных уравнений
2.1 Определение принципиального подхода к решению задачи с использованием дифференциальных уравнений первого порядка 20
2.2 Определение вида дифференциальных уравнений, описывающих процесс обслуживания поездопотока на сортировочной станции
2.3 Определение функций интенсивностей входящего потока и обслуживания в дифференциальных уравнениях 28
2.4 Выводы 45
3 Исследование взаимодействия основных систем обслуживания поездопотока в парке приема сортировочной станции 46
3.1.Показатели работы систем обработки составов поездов в парке приема
3.2.Показатели работы системы расформирования поездов
3.3 Определение потребного числа путей в парке приема 60
3.4 Влияние технологических перерывов в работе системы расформирования на потребное число путей в парке приема 66
3.5 Определение влияния недостаточного путевого развития парка приема на пропускную способность прилегающих участков 75
3.6 Выводы 80
4 Исследование взаимодействия основных систем обслуживания поездопотоков в сортировочном парке и парке отправления сортировочной станции
4.1 Показатели работы системы формирования составов 81
4.2 Показатели работы системы обработки составов в парке отправления 88
4.3 Влияние наличие парка поездных локомотивов на сортировочной станции на показатели работы смежных систем обслуживания поездопотоков
4.4 Влияние загрузки пропускной способности прилегающих участков на показатели работы систем обслуживания в парке отправления 104
4.5 Определение потребной емкости сортировочного парка 108
4.6 Определение потребного числа путей в парке отправления 111
4.7 Выводы 117
Заключение 119
Список использованных источников
- Постановка задачи определения технико-технологических параметров работы сортировочной станции
- Определение вида дифференциальных уравнений, описывающих процесс обслуживания поездопотока на сортировочной станции
- Определение потребного числа путей в парке приема
- Влияние загрузки пропускной способности прилегающих участков на показатели работы систем обслуживания в парке отправления
Введение к работе
Актуальность исследуемой темы. Железнодорожный транспорт занимает ведущее место в транспортной системе России. В период реформ, проводимых в настоящее время на железнодорожном транспорте, частью которых является полная приватизация парка вагонов, происходит обострение конкуренции между компаниями-операторами. Каждая из таких компаний проводит собственную политику, направленную на эффективность использования вагонного парка только компанией владельца. Построение логистических схем использования универсальных вагонов в таких случаях ограничено. Это приводит к увеличению коэффициента порожнего пробега для большинства родов подвижного состава. В связи с этим, а также в связи с ростом численности вагонного парка отрасль сталкивается с рядом серьёзных проблем. Одной из таких проблем является предельное использование пропускных способностей целых направлений и перерабатывающих способностей крупнейших сортировочных станций сети.
Актуальность работы обусловлена тем, что в настоящее время нет аналитических методов для расчёта числа путей в парках, числа бригад и групп работников ПТО и ПКО в бригаде при загрузках систем обслуживания более 0.75-0.8. Эта задача может быть решена только с использованием имитационного моделирования, но сам этот метод чрезвычайно трудоёмкий и требует больших затрат человеко-часов. Разработка аналитического метода, позволяющего снять ограничения по загрузке, является актуальной задачей.
Изолированное рассмотрение взаимосвязанных параметров технического оснащения и технологии работы сортировочных станций в значительной степени снижает эффективность станционных систем. Определение технико-технологических параметров работы сортировочных станций, как сложного взаимосвязанного комплекса функционирования всей цепи систем обслуживания поездопотоков на станции позволяет определить влияние технического оснащения этих станций на скорость прохождения вагонопотоков через станции в условиях загрузок большинства из этих систем близких к максимально возможным.
Для определения времени нахождения вагона на сортировочной станции и влияния тех или иных мероприятий по усилению её пропускной и перерабатывающей способности на показатели функционирования этой станции необходимо определить узкие места при продвижении вагонопотока и поездопотока по станции, разработать методику определения показателей работы станции в условиях предельных загрузкок отдельных станционных подсистем.
Целью исследования является разработка методики по определению технико-технологических параметров работы сортировочной станции в условиях ограниченной емкости парков станции, численности используемого локомотивного парка при совместном рассмотрении всего сортировочного комплекса с учётом взаимного влияния отдельных систем обслуживания поездопотока и вагонопотока для предельных уровней загрузки этих систем.
К числу основных задач исследования относятся:
Разработка методики расчёта показателей работы станции, при фиксированном техническом оснащении отдельных устройств и заданной технологии работы сортировочной станции на предлагаемый объем работы, которая позволяет:
- определять межоперационные простои составов, заполнение парков станции;
- оценивать потери связанные с задержками поездов;
- определять эффективность использования технических средств на станции.
Разработка аналитических формул для расчёта времени нахождения поездов и составов в отдельных системах обслуживания поездопотока на сортировочной станции с последующей проверкой сходимости полученных результатов по суточным графикам работы станции в условиях предельных загрузок систем;
Определение влияния недостаточного числа путей в парках станции на задержки поездов по не приему в период предоставления технологических перерывов в работе:
- сортировочной горки;
- маневровых локомотивов;
- в условиях предоставления «окон» для ремонтно-строительных работ;
Определение эффекта при проведении реконструктивных мероприятий по усилению пропускной и перерабатывающей способности сортировочной станции;
Объектом диссертационного исследования являются процессы взаимодействия систем обслуживания, переработки и пропуска поездопотоков на сортировочной станции.
Предмет исследования – показатели работы сортировочной станции при загрузках обслуживающих систем близких к максимальным величинам.
Методология и методы проведенного исследования основываются на:
- анализе существующих научных разработок в области определения параметров работы сортировочных станций;
- составлении системы дифференциальных уравнений первого порядка, описывающих работу отдельных звеньев обработки поездопотока на сортировочной станции;
- использовании методов численного решения систем дифференциальных уравнений для получения количества составов, находящихся в системе, в различные моменты времени;
- использовании методов сопоставления, сравнения и теоретического обоснования аналитических формул для расчёта показателей работы станции.
Научная новизна. Впервые предложена методика комплексного расчёта основных технико-технологических параметров работы сортировочной станции, основанная на применении непрерывного исчисления и описании станционных технологических процессов с помощью дифференциальных уравнений. Существенно уточнены ранее полученные результаты расчётов показателей работы станции в условиях предельных загрузок обслуживающих систем.
С помощью разработанной методики можно оценить потери времени, связанные с межоперационными простоями, а также задержками поездов на подходе к станции, в условиях предельных загрузок различных систем обслуживания, а также ограниченной ёмкости парков станции. Исследованы вопросы взаимосвязи мощности отдельных систем обслуживания и их влияние на функционирование сопряжённых систем. Определены аналитические зависимости по расчёту отдельных составляющих времени нахождения вагонов на сортировочной станции.
Практическая значимость. Результаты работы по расчёту технико-технологических параметров станции использованы при разработке и внедрении мероприятий по увеличению пропускной и перерабатывающей способности сортировочных станций, что подтверждено соответствующим актом.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции «Наука МИИТа – транспорту» – (2008, 2009, 2012 годы), обсуждались на кафедре «Управление эксплуатационной работой и безопасностью на транспорте» (Москва 2010-2012 МИИТ).
Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 4 печатных работах, в том числе в двух изданиях, рекомендованных ВАК России.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка. Основной текст изложен на 122 машинописных страницах и содержит 44 рисунка. Библиографический список включает 72 наименования.
Постановка задачи определения технико-технологических параметров работы сортировочной станции
В современных условиях происходит осуществление структурных реформ ОАО «РЖД», которые затрагивают все уровни управления и все сферы деятельности компании. Значительное влияние на результаты таких реформ оказывает полная приватизация парка вагонов компании. Передача в частные руки грузовых вагонов повлекла за собой передачу управления приватными парками от ОАО «РЖД» - компаниям-операторам. Каждая компания планирует и осуществляет перевозки в определенном сегменте перевозок, ставя своей целью максимизацию полученной прибыли. Владелец инфраструктуры ОАО «РЖД» оказывая услуги компаниям-операторам в значительной мере зависит от их стратегических взглядов и планов. В этих условиях происходит несогласованное между компаниями-операторами движение приватных парков вагонов. Зачастую происходит встречное движение порожних вагонов одного и того же типа. При этом загрузка пропускных способностей участков и целых направлений, а так же перерабатывающая способность крупнейших сортировочных станций достигает своей предельной величины. Это ставит проблему рационального использования пропускных и перерабатывающих способностей инфраструктуры.
Одним из ключевых вопросов данной проблемы является получение точных значений технико-технологических параметров работы сортировочных станций при заданном объеме работы близким к предельному и изменение значения этих параметров при изменении плана формирования, направления следования отдельных струй вагонопотоков, а также проведении мероприятий по развитию перерабатывающих способностей станций.
Простои вагонов на сортировочных станциях непосредственно связаны как с емкостью парков, так и с мощностью обслуживающих устройств этих станций. Вполне очевидно также влияние на эту емкость пропускной способности прилегающих участков и численности используемого локомотивного парка.
Вероятностный характер прибывающего на станцию поездопотока вызывает межоперационные простои составов при расформировании поездов, что в свою очередь, оказывает влияние на функционирование всей цепи систем обслуживания поездопотока на станции. Фиксированная емкость парков станции в определенных условиях также может оказывать влияние на работу и перерывы в работе всех обслуживающих систем. Так, на пример, недостаточное путевое развитие парка приема при высокой загрузке системы обработки поездов в парке и невысокой перерабатывающей способности сортировочной горки, может вызывать простои составов на подходе к станции, а следовательно, уменьшать пропускную способность прилегающих участков. Недостаточная емкость сортировочного парка, в свою очередь, может вызвать блокировку роспуска составов. Ограниченная емкость парка отправления влечёт за собой дополнительные простои составов в сортировочном парке из-за невозможности перестановки составов в парк отправления, а также задержки транзитных поездов на подходе из-за переполнения этого парка.
Эти рассуждения показывают тесную взаимосвязь в работе отдельных систем обслуживания поездопотока на сортировочной станции в условиях предельных загрузок. Наличие сложных технологических взаимосвязей между функционированием систем обслуживания требует рассмотрения работы каждой системы не изолированно от работы других систем, а в комплексе.
С составами поездов на различных этапах продвижения поездопотока по станции выполнятся ряд технических операций. Каждая из таких операций может быть описана математически с использованием дифференциального уравнения. Соответственно функционирование станции может быть представлено в виде системы таких уравнений, каждое из которых: - во-первых, описывает ту или иную операцию; - во-вторых, зависит от других уравнений через входящие в них параметры. Аналитическое решение такой задачи не представляется возможным. Вместе с тем могут рассматриваться численные методы решения. Таким образом, задача состоит в следующем. При заданных величинах: техническом оснащении станции, действующем плане формирования и определенной технологии работы станции, для предложенного объема работы требуется определить:
Определение вида дифференциальных уравнений, описывающих процесс обслуживания поездопотока на сортировочной станции
Таким образом, каждому назначению ij внутри группы назначений, обслуживаемых локомотивами і-ого типа, соответствует приоритет вывода составов в момент времени t, то есть Пара чисел Pebie.(t) иРвьІв..(і) образуют для ij-oro назначения двузначное число, являющееся условным общим приоритетом вывода составов этого назначения из сортировочного парка. Составы назначений, у которых это число кратно 10, то есть, Рвыв1Л) = 0 - выводу в момент времени t не подлежат. Естественно, что не все составы, сформированные в сортировочном парке, для которых Рвыв..(Ь) Ф 0,могут выводиться в момент времени t из сортировочного парка. Есть два ограничения: 1. Занятость путей парка отправления составами; 2. Ограниченная интенсивность по выводу в работе маневровых локомотивов.
Переход от условного к безусловному приоритету осуществляется учетом первого ограничения: количество составов, которые могут быть выведены должно не превышать числа свободных путей, то есть быть не больше величины (пт — п"дН) где: п"дН - число занятых путей в парке отправления в момент времени t. ПТан = Eilfo + 2Ll(n + О) (2.31) Где: n z - число путей, занятых составами, ожидающим осмотр z-ой бригадой ПТО и обслуживаемыми локомотивами і-ого типа, включая путь, занятый выводимым в момент времени t составом из сортировочного парка (если таковой имеется); tin «- щ"2 - число путей, занятых составами, ожидающих локомотивы 1-ого типа и осмотренные z-ой бригадой ПТО, включая путь, занятый осматриваемым в момент времени t составом (если таковой имеется). Данное условие является несколько иной формой выражения функции блокировки.
Число занятых путей составами, ожидающим осмотр z-ой бригадой ПТО и обслуживаемыми локомотивами і-ого типа, включая путь, занятый выводимым в момент времени t составом из сортировочного парка может быть определено следующим образом: nT. Число путей, занятых составами, ожидающих локомотивы і-ого типа и осмотренные z-ой бригадой ПТО, включая путь, занятый осматриваемым в момент времени t составом (если таковой имеется) определяется: функция интенсивности входящего потока транзитных поездов под локомотивы і-ого типа, предназначенные под обслуживание z-ой бригадой ПТО.
В то же время можно определить функцию общей интенсивности вывода составов из сортировочного парка под локомотивы і-ого типа, как а также общую интенсивность осмотра составов в парке отправления под локомотивы і-ого типа, как Пояснение: jhmA_0(t-A) ц, х х х х х dt _ число составов выводимых из сортировочного парка для осмотра z-ой бригадой ПТО за время t и предназначенных для локомотивов і-ого типа. J0 4 5 51, x6l, x7i, хщ, t)dt - число составов, осмотренных z ой бригадой ПТО за время t и предназначенных под локомотивы і-ого типа.
Формула п"а„ учитывает выводимые в момент времени t составы, поэтому необходимо число назначений, у которых РвШіЛі) = 0 и Рвыв1.(Х) = К і + 1 привести в соответствие с величиной (п"ут — п"ан)- Если число таких назначений больше этой величины, то все "лишние" назначения (назначения с меньшим приоритетом Pewei(), Рвыви(Х)\ получают приоритет Рвыв..() = 0, то есть также сформированные составы этих назначений в сортировочном парке не подлежат выводу в момент времени t. Приведенное, таким образом, множество имеет членов не более числа свободных путей в парке отправления. Исходя из полученных приоритетов, можно определить функцию интенсивности вывода составов для отдельных назначений из сортировочного парка.
В условиях работы нескольких бригад ПТО в парке отправления нужно определить, как распределяются выводимые в момент времени t составы, а также прибывающие транзитные поезда между этими бригадами для осмотра. При неспециализированной работе бригад критерием является примерно одинаковая загрузка. Математически это выглядит следующим образом: интенсивность появления транзитных поездов в очереди на обслуживание z-ой бригадой ПТО (в случае минимальной очереди к ней, включая все выводимые в момент времени t составы своего формирования), то есть
Интенсивность появления поездов своего формирования в очереди на обслуживание к z-ой бригаде (в случае минимальной очереди к ней, включая все выводимые в момент времени t поезда своего формирования, а также транзитивные прибывающие поезда), то есть
Работа с составами по их выводу из сортировочного парка оказывает существенное влияние на интенсивность окончания формирования составов, так как выполняется одними и теми же устройствами - маневровыми локомотивами. Остаток времени свободного от вывода составов приходится на работу по окончанию формирования. Для определения интенсивности работ с составами конкретных назначений по окончанию формирования вводится понятие приоритета этих работ в группе назначений, обслуживаемых і-ого типа локомотивов - Polp..(f). Таким образом, Vi = const всем назначениям присваивается числа от 0 до . Критерием
Определение потребного числа путей в парке приема
При рассмотрении работы системы расформирования поездов на сортировочной горке, являющейся второй после системы обработки составов поездов в парке приема, следует иметь в виду следующее обстоятельство: выходящий из системы обработки поездов в парке приема поток является входящим в систему расформирования составов с сортировочной горки, при этом характеристики этого выходящего потока отличаются от характеристик первоначального потока, поступающего на вход системы обработки составов поездов.
В работе Сотникова И.Б. [52] предложены формулы по определению коэффициента вариации выходящего потока из системы обработки составов поездов в парке приема. При использовании данной методики преобразование характеристик потока после выхода его из системы обработки происходит в процессе решения дифференциальных уравнений, приведенных в главе 2. Таким образом, нет необходимости специально исследовать показатели (коэффициенты вариации интервалов между моментами окончания обслуживания поездов в системе осмотра), которые в свою очередь являются моментами поступления составов в систему расформирования. Численное решение дифференциального уравнения, описывающего систему расформирования составов, приведенная в главе 2 (формула 2.5), с использованием схемы Эйлера первого порядка позволяет получить первообразную функцию в численном виде - изменение средней очереди составов, ожидающих расформирования в парке приема с учетом частей составов, находящихся в процессе расформирования - x2(t). При заданном входящем потоке с определенными параметрами и заданной интенсивностью обслуживания составов в парке приема и интенсивностью расформирования поездов на сортировочной горке при совместном решении двух дифференциальных уравнений определяется, в том числе изменение числа поездов, ожидающих расформирования во времени. Значения величины х2 в конкретный момент времени включает в себя как составы, ожидающие начала расформирования, так и части составов, находящихся в процессе расформирования. Пример такой зависимости во временном отрезке во временном отрезке 00.00-12.00 представлен на рисунке 3.5.
Изменение количества составов, ожидающих расформирования, включая части составов, находящихся в процессе расформирования, во времени При рассмотрении данной системы расформирования следует отметить, что важнейшим показателем её работы, определяемым с использованием дифференциальных уравнений, является среднее время нахождения составов в системе расформирования на сортировочной горке. ТРасф = tPac P + (3.8) Где: tp0 - среднее время ожидания расформирования состава на сортировочной горке; обсл среднее время обслуживания одного состава на сортировочной горке, связанное с его роспуском. Среднее время ожидания расформирования состава на сортировочной горке может быть рассчитано, исходя из величины средней очереди составов, ожидающих расформирования: С? = M[n m] Щггобсл] (3.9) Где: М[пгоч] - средняя очередь составов, ожидающих расформирования на сортировочной горке; M[to6ai\ - среднее время обслуживания в системе расформирования.
При решении дифференциальных уравнений, приведенных в главе 2 и описывающих функционирование системы расформирования, время обслуживания в данной системе принимается на основе горочного технологического интервала без учета технологических перерывов и занятием горки окончанием формирования. Ъбс, = Wfc6a\ = г . (3-Ю) где , - среднее значение горочного интервала в цикле без учета времени технологических перерывов и занятия горки окончанием формирования: "и Где: N4 - число составов поездов, расформировываемых за период технологического цикла 7 .
Настоящая методика позволяет определить зависимость средней очереди в ожидании расформирования составов на сортировочной горке, в зависимости от загрузки горки (системы расформирования), определяемой: ifje = ±, (3.12) И- г где: Яг - интенсивность входящего потока, определяемая по формуле: Яг = (3.13) Np - число поездов, пребывающих в сутки в расформирование со всех направлений \i г- интенсивность обслуживания составов, определяемая по формуле: Иг=р (3-14) Величина средней очереди составов, ожидающих расформирования, может быть получена на основании функции x2(t) при отбрасывании не расформированных долей составов, расформирование которых уже началось.
На рисунке 3.6 показано совмещение величины х2 и величины S02, которая представляет собой изменение во времени среднего числа составов, ожидающих расформирования без учета частей составов, находящихся в процессе расформирования.
Влияние загрузки пропускной способности прилегающих участков на показатели работы систем обслуживания в парке отправления
После завершения накопления составов в сортировочном парке необходимо производить операции по окончанию формирования составов и перестановки их в парк отправления. Операции по окончанию формирования составов включают в себя расстановку вагонов в соответствии с требованиями ПТЭ о размещении вагонов в составах поездов, для групповых поездов необходима подборка групп вагонов по техническим признакам и по назначениям вагонов. В зависимости от числа сортировочных путей, выделяемых для накопления групп вагонов в групповых поездах или отдельных частей составов одногруппных поездов, операции по окончанию формирования могут сводиться или к расстановке вагонов в соответствии с требованиями ПТЭ и их последующего соединения или к полной повторной сортировке вагонов с последующей их подборкой и соединением. Входящим потоком в систему формирования и перестановки составов является моменты окончания накопления составов в сортировочном парке. Характеристики данного потока во многом могут определять показатели в работе данной системы. Эти характеристики исследовались различными авторами Сотников И.Б [52], Корешков А.Щ35]. Ряд авторов рекомендуют при определении характеристик входящего потока использовать коэффициент вариации, зависящий от неравномерности прибытия поездов в расформирование, групп вагонов отдельных назначений, наличием в прибывающих поездах нескольких групп одного назначения, который может быть определении на основании натурных наблюдений. В данной работе процесс накопления составов определяется моделированием разложения расформировываемых составов по назначениям плана формирования с последующим суммированием поступающих групп до целых составов - это является неотъемлемой частью построения данной модели. Среднее число назначений, на которое поступают вагоны в одном поезде, а также величина групп поступающих на данное назначение определяются с использованием методики, изложенной в работе Сотникова Е.А. [59].
Окончание формирования выполняется в подавляющем большинстве случаев маневровыми локомотивами, работающими в хвосте сортировочного парка. Группа сортировочных путей, прикрепленных к определенной вытяжке, закрепляется за маневровым локомотивом. Количество маневровых локомотивов зависит от количества формируемых назначений и их суточной мощности.
Настоящая модель предусматривает, как изложено в главе 2(формулы 2.6, 2.7), совокупность дифференциальных уравнений, описывающих процесс окончания формирования составов для каждого поездного назначения. Такие же дифференциальные уравнения описывают процесс перестановки составов также для каждого поездного назначения. Время окончания формирования задается дифференцируемо. Таким образом, предусмотрено фактически две, последовательно расположенные, системы обслуживания: - окончание формирования; - перестановка составов в парк отправления.
Такое разделение процессов обусловлено тем фактом, что могут существовать ограничения, связанные с ограниченным числом путей в парке отправления и их полном заполнением, что вызывает дополнительный простой в ожидании перестановки и следовательно очередь составов в ожидании выполнения этой операции.
Загрузка каждого маневрового локомотива может быть определена следующим образом: лман УманІ .мал У -) Где: Щан - интенсивность входящего потока для і-ого маневрового локомотива. [if" - среднее время обслуживания i-ым локомотивом одного состава. С учетом того, что за каждым маневровым локомотивом закреплено несколько формируемых станцией назначений, загрузка маневрового локомотива определяется: Где: к( - число закрепленных за i-ым локомотивом поездных назначений, окончание формирования и перестановку которых он производит; Nj - число поездов формируемых из вагонопотока j-oro назначения; оф) среднее время обслуживания одного поезда j-oro назначения Где: Т0ф] - среднее время на окончание формирования одного поезда j-ого назначения; tebie - время на вывод состава из сортировочного парка в парк отправления; teo3e - время на возвращение локомотива из парка отправления на вытяжной путь.
Многочисленные исследования по численному решению системы дифференциальных уравнений позволили определить зависимость средней очереди в ожидании окончания формирования и вывода от загрузки маневровых локомотивов, связанных с окончанием формирования и перестановкой составов. На рисунке 4.1 показано множество результатов испытаний этой зависимости в различных условиях, характеризующихся разным числом поездных назначений, закрепленных за локомотивом, суточной мощностью этих назначений, различным набором длительностей окончания формирования закрепленных поездных назначений. Следует отдельно рассматривать случаи наличия перерывов в работе маневровых локомотивов, связанных с окончанием формирования поездов. Такие перерывы могут быть вызваны экипировкой локомотива, сменой локомотивной бригады, выполнением операций по подаче и уборке местных вагонов и другими причинами.
