Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы взаимодействия железнодорожного и морского транспорта и существующие методы его оптимизации 9
1.1. Основные проблемы взаимодействия 9
1.2. Существующий уровень взаимодействия в припортовых районах 15
1.3. Причины задержек составов на подходах к портам 19
1.4. Анализ существующих методов расчета железнодорожных станций и узлов 22
1.5. Сравнительная характеристика различных методов расчета транспортных систем 27
Выводы к главе 1 33
Глава 2. Теоретические основы рационального взаимодействия 35
2.1 Структура и функции подсистем во взаимодействующих системах 35
2.1.1 Структура зон взаимодействия 35
2.1.2. Зоны ближнего взаимодействия 37
2.1.3. Зоны среднего взаимодействия 39
2.1.4. Зоны дальнего взаимодействия 40
2.2. Методы оптимизации взаимодействия 45
2.2.1. Метод динамического согласования МДС 45
2.2.2. Имитационный метод динамического согласования И-МДС 54
2.3. Динамические резервы железнодорожной подсистемы взаимодействия 64
2.4. Прогнозирование транспортных потоков в зоны взаимодействия 67
2.4.1.Связь точности прогноза потоков и организации взаимодействия 67
2.4.2. Прогнозирование потоков в плановой экономике 69
2.4.3. Прогнозирование на основе индикаторов развития рыночной экономики 72
2.4.4. Снижение неопределенности прогноза методом глубокого моделирования транспортно — хозяйственных связей 75
Выводы к главе 2 77
Глава 3. Методика расчета технических и технологических параметров припортовой станции (узла) 78
3.1. Сущность технических и технологических параметров 78
3.2. Двойственная функция узла 78
3.3. Имитационная система ИСТРА как метод расчета транспортных узлов 85
3.4. Поиск рациональных структурных и технологических решений с помощью системы ИСТРА 86
3.4.1. Оптимизация в системе ИСТРА 87
3.4.2. Расчет параметров рациональной структуры транспортного узла 91
Выводы к главе 3 96
Глава 4. Логистическая организация согласованного подвода грузов 97
4.1. Современная информационно-технологическая среда и возможность ее совершенствования 97
4.2. Организация логистического процесса 97
4.3 .Технология подвода грузов к портам по прямому варианту вагон-судно 101
4.4. Организация прогноза подвода грузов к порту 105
4.5. Организационное обеспечение логистического процесса 109
Выводы к главе 4 113
Глава 5. Исследование эффективности согласованного взаимодействия 114
5.1. Техническая характеристика комплексов и устройств ОАО «Новороссийский морской торговый порт» 114
5.2. Технология взаимодействия станции и порта 120
5.2.1 .Оперативное руководство маневровой и грузовой работой 121
5.2.2.Совместное планирование работы станции и порта 122
5.3.Технология работы станции Новороссийск 123
5.3.1 .Обработка поездов по прибытии на станции Новороссийск 123
5.3.2. Формирование составов поездов 128
5.3.3..Порядок подачи и уборки вагонов на подъездные пути порта 130
5.4. Влияние адаптивного управления на параметры взаимодействия 131
Выводы к главе 5 143
Заключение 144
Список литературы 146
Приложение 1 155
Приложение 2 184
Приложение 3
- Существующий уровень взаимодействия в припортовых районах
- Имитационный метод динамического согласования И-МДС
- Имитационная система ИСТРА как метод расчета транспортных узлов
- Организация логистического процесса
Введение к работе
Проблема взаимодействия железнодорожного и морского транспорта в припортовых транспортных узлах является одной из самых болезненных, и она постоянно обсуждается. Так один из топ менеджеров ОАО «РЖД» в статье в газете «Гудок» № 26 от 18 февраля 2008 г. говорит:
«... За 13 дней февраля погрузка в портах составляла 4,9 тыс. вагонов в сутки, но это всего 72% от возможностей портов. Из-за этого на сети «брошено» 69 поездов. Наибольшее их количество скопилось на Северо-Кавказской дороге. Одними из основных причин стали нехватка торгового флота и жесткие погодные условия в Новороссийске... Кроме того, на Северо-Кавказской ж.д. в адрес Новороссийского порта простаивает 1829 вагонов с черными металлами». И это далеко не худшая ситуация. Бывают периоды, когда «брошенными» оказываются и более двухсот составов. На совместных совещаниях руководителей двух видов транспорта стандартными претензиями являются несоответствие технического развития стыковой подсистемы и неправильный подвод транспортных средств противоположной стороны.
Анализ показывает, что проблема эффективного взаимодействия включает три взаимосвязанные части — взаимодействие техническое, технологическое и согласование управления (рис. 0.1.).
Поэтому необходимо, во-первых, грамотно рассчитать технические параметры взаимодействующих подсистем. Проблема очень непростая. В настоящее время она решается весьма упрощенно. Так, при обосновании инвестиций в развитие Новороссийского узла, где планируется ввести в строй 10 новых терминалов, проектная организация при расчете пропускной способности будущего узла исходила из следующей логики — если горловина пропустит поток, то и станция пропустит, а горловина пропустит, если уровень загрузки наиболее загруженной стрелки меньше 100%. Как будет
показано ниже, это крайне ошибочная логика. Но все сделано в соответствии с существующими инструкциями.
Рис. 0.1. Составные части проблемы взаимодействия железнодорожного и морского транспорта
Во-вторых, нужно разработать принципы построения управляемой технологии с двух сторон взаимодействия. При этом следует исходить из принципа, что более управляемая технология должна быть с той стороны, в которой объективно возможна большая управляемость. В данном случае, это железнодорожная подсистема, ибо подходящий поток более многоструйный (для погрузки одного судна требуется груз из нескольких сот вагонов).
В диссертации предполагается разработать принципы эффективного взаимодействия, предложить методы его оптимизации, сформулировать
методику расчета параметров взаимодействующих подсистем и разработать логистику согласованного подвода грузов.
Рассматривается проблема взаимодействия при экспортных потоках, как наиболее острая и содержательная. Проверку предлагаемых подходов предполагается осуществить на примере Новороссийского транспортного узла, который является «узким» местом в этой области (два наиболее развитых порта на Черном море - Одесса и Ильичевск - отошли к Украине).
Существующий уровень взаимодействия в припортовых районах
На Дальневосточной дороге существует устойчивая тенденция увеличения объемов перевозок грузов в порты Дальневосточного бассейна по основной номенклатуре, то есть таким грузами как: уголь, нефтепродукты, черные металлы, контейнеры.
В июне 2007 года, при наличии на Дальневосточной ж.д. 3,5 тыс. полувагонов с углем в адрес порта Восточный и переполненности складов, практически не используются для перевалки угля мошрости портов Ванино и Находка.
Подвод флота под вывоз угля из порта Восточный организован неудовлетворительно. Для стабильной работы угольного комплекса по своевременной переработке всех предъявляемых к перевозке объемов угля, необходимо ежесуточно вывозить со склада не менее 45-50 тысяч тонн этого груза. Однако, в июне и июле 2007 года, достаточный уровень морского тоннажа не обеспечивался, а в отдельные сутки флот вообще отсутствовал. В результате, в летний период на Дальневосточной ж.д. ежесуточно простаивает без движения до 20 составов с углем.
Одновременно с этим, в портах Владивосток и Находка значительно сократилась переработка черных металлов и лесных грузов. Перегрузочные мощности используются не более чем на 30%.
На основании исследований ДНИИМФ составлена карта движения грузов, проходящих через погранпереходы и порты в южном Приморье, позволяющая видеть транспортную нагрузку на инфраструктуру портов в связи с движением грузов через порты южного Приморья. Прогнозная ситуация на 2010 - 2015 гг. по движению грузов через порты и погранпереходы южного Приморья характеризуется увеличением нагрузки в целом на Дальневосточную железную дорогу до уровня 84-114 млн.т., что существенно превышает ее существующую провозную способность.
Железная дорога в южной части Приморского края относится к ведению Владивостокского отделения ДВЖД. Основной проблемой стыка «порты -железная дорога» остается несогласованность параметров работы сторон, связанная, в том числе, с недостаточным развитием припортовых железнодорожных станций и железнодорожных подходов к портам. На подходах к портам периодически возникают «пробки». Представляется, что решение проблемы на уровне «порт - припортовая станция» должно учитывать, как минимум, решение следующих вопросов: обеспечение постоянного совместного управления планом формирования поездов и оптимизация подхода вагонов на припортовую станцию; обеспечение соответствия «пиковых» мощностей портов и припортовых станций; на припортовых станциях с высокой неравномерностью загрузки и вероятностью появления «затора» - организация «буферных» терминалов. Планы ОАО РЖД по развитию железнодорожной инфраструктуры не в полной мере согласуются с планами развития портов. Азово-Черноморский бассейн. При перегруженности портовых мощностей порта Туапсе по переработке черных металлов и угля, практически не используются возможности портов Махачкала, Ейск, Ростов, Таганрог и Усть-Донецк. Проблемным вопросом остается переработка руды в порту Новороссийск, где в настоящий момент складские емкости переполнены более чем в 2 раза. Наличие вагонов с рудой на Северо-Кавказской ж.д. часто превышает норматив в 4 раза, вывоз груза из порта производится неудовлетворительно. Северо-Западный регион.
Отсутствие в портах Северо-Западного бассейна вагоноопрокидывателей и гаражей-размораживателей отрицательно сказывается на объемах перевалки угля и сохранности вагонного парка. Так, в Мурманском торговом порту грейферным способом осуществляется выгрузка более 500 вагонов с углем ежесуточно, из-за чего в 1 полугодии 2005 года портом повреждено 1175 полувагонов. Не используются мощности порта Кандалакша, который может осуществлять выгрузку до 100 вагонов угля в сутки. В первом полугодии более чем в 2 раза снижена переработка экспортных грузов в порту Выборг, в том числе в июне - в 4,5 раза по сравнению с аналогичным периодом прошлого года.
За 6 месяцев 2007 года через порт Архангельск перевезено более 2 млн. тонн экспортных грузов, что на 32 % выше прошлогоднего уровня. Особое беспокойство вызывает резкое падение объемов переработки экспортных грузов в порту Калининград.
Существующее положение пока не позволяет влиять на равномерность отгрузки грузов в адрес портовых станций, из-за чего возникают брошенные поезда. Особенно это характерно при перевозке нефтегрузов, угля и удобрений.
Так, на станцию Высоцк в мае 2007 года, при плане погрузки нефтеналивных грузов 371 ваг/сутки, в первой декаде отгружалось по 478 вагонов в сутки с разбросом от 350 до 650. В мае были приняты дополнительные планы по перевозке удобрений через станцию Автово без согласования с Октябрьской ж. д., после чего станции Свердловской дороги при плане 178 вагонов ежесуточно отгружали до 544 вагонов, что привело к бросанию поездов на Октябрьской и Северной дороге (несколько десятков составов).
Имитационный метод динамического согласования И-МДС
Метод строгой динамической оптимизации МДС применим для больших полигонов, где можно абстрагироваться от детального описания структуры и технологии. Структура там описывается в виде графа, каждой дуге сопоставляется фиксированное время движения потока и заданная пропускная способность.
При рациональной организации технологических процессов на станции необходимо подробно отображать схему путевого развития и технологию работы, ибо они существенно влияют на результаты.
Горловину, состоящую из нескольких десятков стрелок, невозможно отобразить в виде дуги графа, так как невозможно однозначно задать такие параметры, как пропускная способность и время прохождения потока. Они зависят от структуры потока, уровня загрузки горловины, случайных процессов и принятой технологии.
В этих условиях нельзя построить полностью формализованную модель и, соответственно, нельзя осуществить строгую оптимизацию. Здесь «работает» только имитационная модель, и любую рационализацию можно осуществлять только на ее основе.
Суть метода МДС состоит в организации технологических процессов по конечным ритмам. Сделаем попытку осуществить это на имитационной модели (естественно, речь не идет о строгой оптимизации). В обычных условиях рационализация процесса по некоторому критерию требует проведения большого числа экспериментов. В нашем случае проблема усложняется тем, что конечные ритмы будут обеспечивать цепочки из технологических операций разной длины. Необходимо оценить условия в начале каждой цепочки и выбрать время для начальной операции технологической цепочки, с тем, чтобы конечная операция завершилась в требуемое время. То есть требуется построить имитационный аналог МДС, назовем его имитационный метод динамического согласования И-МДС.
Реализацию И-МДС опишем на примере имитационной системы ИСТРА. Здесь технологический процесс задается в виде элементарных технологических операций, логически объединенных специальным оператором в технологический процесс. Очередь заявок на выполнение операций формируется следующим образом. После выполнения очередной операции проверяется, имеет ли операция продолжение, и имеются ли условия для этого продолжения. Если оба «да», то в очередь записывается заявка на выполнение последующей операции с временем окончания предыдущей. Очередь все время упорядочивается по неубыванию времени с учетом приоритетов. Заявки с приоритетом переносятся вверх очереди, но только в том случае, если время заявки попадает в зону действия глубины приоритета (рис. 2.9.).
Глубина приоритета говорит о том, с каким опережением по времени мы начинаем рассматривать заявку с приоритетом. (Например, прием поезда имеет приоритет перед маневровыми передвижениями. Поэтому модель сначала пропустит поезд, а потом выстраивает маневровую работу с учетом этого - так поступает и маневровый диспетчер).
Допустим, необходимо обеспечить заданный ритм погрузки судна. Но грузопоток состоит из нескольких струй — груз со склада, из вагонов со станции и из составов со станций средней зоны (рис. 2.10.). При этом технологические цепочки будут разной длины, однако они в совокупности должны обеспечить ритм погрузки (рис. 2.11.),
Здесь применяется следующий встроенный алгоритм. Вводится понятие индексной операции, которая, по сути, является фиктивной, не начинает выполнение технологической операции. Фиксируется только сам факт ее выполнения. Заявки по индексным операциям задаются ритмом погрузки. Эти заявки идут с большим приоритетом. При этом глубина приоритета равна продолжительности выполнения самой длинной технологической цепочки. Как только индексная заявка попадает в глубину действия приоритета, она переносится вверх очереди и обслуживается первой .
Имитационная система ИСТРА как метод расчета транспортных узлов
Имитационная система ИСТРА алгоритмически рассчитана на отображение особенностей транспортных объектов. Конкретные схемы, структуры и технологии являются ее входными параметрами.
Система ИСТРА [39] позволяет строить и исследовать модели транспортных объектов практически любой размерности и сложности, хотя и ориентирована на исследование и оптимизацию крупных объектов транспорта, во взаимодействии с объектами материального производства. При построении системы были приняты следующие исходные предпосылки: а) система должна предоставлять возможность моделировать работу различных видов транспорта; б) допускать использование частично-формализованных (экспертных) знаний; в) быть проблемно ориентированной с тем, чтобы избежать отрицательных последствий излишней универсальности, и в то же время позволять решать достаточно широкий круг задач данного класса; г) достаточно хорошо отображать технологические и информационные процессы, а также процессы иерархического управления; д) учитывать действие факторов случайного характера; е) включать специальные процедуры, «сужающие» исходное множество вариантов и сокращающие итерационный процесс; ж) простота входного языка и наглядность выдаваемых результатов моделирования; з) ориентация на алгоритмы и программы, построенные по модульному принципу, позволяющему легко расширять систему и изменять ее сложность.
Система «ИСТРА» - универсальная абстрактная модель, способная при идентификации (параметризации) настраиваться на любой объект заданного класса. Для этого необходимо, чтобы структурные и функциональные характеристики, значения которых отличают объекты один от другого, входили не в структуру модели и не в описание ее функции, а служили бы легко заменяемыми исходными данными, которые необходимы для моделирования. Такими исходными данными (настроенными характеристиками) являются параметры элементов транспортной системы и связей между ними. В соответствии с принятой методикой имитационного моделирования переменные средства и постоянные устройства отображаются в модели в виде следующих типов элементов: бункерных, базисных, промежуточных и параллельных.
Технология работы системы в модели представлена рядом элементарных операций. В одну операцию выделяется относительно законченная часть технологического процесса. Например, операция погрузки, подачи или уборки вагонов с грузового фронта и т.п.
Система ИСТРА позволяет выдавать исчерпывающий набор количественных и качественных показателей моделируемого объекта: прибыло, убыло, расформировано, сформировано, погружено, выгружено, а также простои вагонов, расчлененные по станциям, паркам, родам вагона и груза, полезная и полная занятость всех устройств и др. Печатается и суточный план-график работы, а также выдаются элементы структуры, из-за которых возникают наибольшие задержки, и операции, в которых эти задержки происходили. Так определяются «узкие места» структуры и технологии.
Оптимизация с использованием имитационных моделей представляет собой некоторую итерационную последовательность экспериментов.
В общем случае эксперименты со сложными объектами достаточно трудоемки, требуют значительных затрат машинного времени полный перебор вариантов здесь, как правило, невозможен. Поэтому необходимо использовать некоторые методы планирования экспериментов, многократно сужающие множество вариантов и ускоряющие процесс оптимизации.
Избежать полного перебора вариантов в системе ИСТРА позволяют два фактора: особенности построения моделей и специально разработанный метод ускорения процесса оптимизации, так называемый имитационный спуск. В моделях, получаемых с помощью системы ИСТРА, существенно используются два типа управления: регулирование в пределах одной операции и иерархическое управление, реализуемое оператором f\t). Множество возможных результатов экспериментов на имитационной модели, построенной в системе ИСТРА, будем называть имитационным множеством Парето. Как видим, взаимодействие Wj{t),Uj(t) , и J\t) приводит к тому, что множество результатов существенно уже множества начальных состояний модели (исходных точек движения).
Организация логистического процесса
Но прежде, чем заявка будет согласована с грузоотправителем, она должна быть согласована со службой движения. Если заявка согласована, строится прогноз перевозки до точки назначения. Прогноз укрупненный, по заданным контрольным точкам, в качестве которых выступают крупные сортировочные, технические и стыковые станции. Полученный прогноз поступает в систему ведения электронного транспортного досье перевозки, которое ведется по мере продвижения отправки по сети. При этом в досье собираются также данные о фактическом выполнении операций с отправкой. Сопоставляя эти данные с прогнозными значениями, можно сделать вывод о том, насколько сильно отправки отклоняются от планируемого продвижения, и как это может повлиять на ситуацию, складывающуюся в порту. Эти функции выполняет подсистема контроля продвижения отправки.
База данных сетевого уровня позволяет достаточно быстро и эффективно проводить информационные запросы, которые необходимы для процедуры планирования равномерного подвода грузопотока заданной структуры к порту. Кроме этого, диспетчер в оперативном режиме имеет оценку складывающейся ситуации с перевозками всех экспортных грузов в целом по сети. База данных дорожного уровня связана с базой данных сетевого уровня. Ее структура напоминает структуру сетевой базы, но она оперирует только с теми отправками, которые находятся в ведении самой дороги. Другими словами, это те отправки, которые следуют в регион назначения (на припортовую станцию, относящуюся к юрисдикции этой дороги).
Для работы в регионах назначения (в том числе, на припортовых, пограничных станциях) специалисты подразделений линейного уровня пользуются комплексом автоматизированных рабочих мест, позволяющим вести долгосрочное и краткосрочное планирование работ на станции и контролировать оперативную обстановку.
Предусматривается электронный обмен данными с автоматизированными системами клиентов. Организуется взаимодействие с информационными системами портов. Известно, что Новороссийский морской торговый порт способен перерабатывать в сутки не более 800 вагонов, поэтому любое превышение этого значения совокупной высотой столбца на какую-либо дату означает отказ порта в переработке вагонов свыше 800, т.е. эти вагоны будут брошены на подходе к припортовой станции. Регулировать погрузку можно, отвергая или принимая те или иные заявки.
В том случае, когда заявка на перевозку груза принимается, для каждой будущей отправки выполняется процедура планирования перевозки, т.е. строится прогноз прохождения груза по сети. Прогноз строится на основе дорожных планов формирования. По плану формирования определяются: - сортировочные станции, на которых будет происходить роспуск и формирование составов с данным грузом; - стыковые станции между дорогами.
Таким образом, для каждой отправки можно получить некоторый аналог траектории движения, когда определенному моменту времени будут соответствовать прогнозные значения географических координат объекта наблюдения (рис. 4.2).
Для организации логистики требуется действенный контроль над перевозкой, начиная с этапа её планирования, и оперативное проведение необходимых регулировочных мер. Эти меры должны способствовать сокращению местного и транзитного простоя гружёных вагонов, предотвращению ситуаций так называемого «бросания» поездов на подходах к портам и пограничным переходам.
Точная детализация по дислокации вагонов с грузами в составе тех или иных поездов позволяет на сортировочных станциях дороги примыкания производить сортировку грузов, формируя судовые партии. Это позволяет подводить к припортовой станции поток с необходимой структурой грузопотока.
При перевозках грузов на экспорт с перевалкой на морской транспорт в портах может применяться, так называемый, прямой вариант перегрузки грузов из вагона напрямую в судно, минуя склад, вагон-судно. Перевозка по такому варианту имеет следующую принципиальную особенность, вызванную различной грузоподъемностью (грузовместимостью) подвижного состава разных видов транспорта.
Вагоны железнодорожного транспорта, в зависимости от конструкции вагона и свойств перевозимого груза, имеют грузоподъемность порядка 40 -60 тонн. Грузоподъемность судна ограничена конструктивными особенностями и судоходной глубиной морей. Современные суда имеют грузоподъемность, достигающую сотни тысяч тонн.
Наибольшее распространение в современной практике имеют суда грузоподъемностью от 5 до 50 тысяч тонн. При средней грузоподъемности железнодорожного вагона порядка 60 тонн для полной загрузки судна необходимо 300 - 800 вагонов. Чтобы одновременно привезти на припортовую станцию и подать на пути порта такое количество вагонов нужно соответствующее путевое развитие станции и порта, что не всегда имеет место. Ограничением может являться также неразвитость пропускной способности примыкающего участка (однопутный, полуавтоблокировка), припортовой станции, станции погрузки, а также мощности грузоотправителя, которому надо погрузить эти 800 вагонов практически одновременно.
Время, требуемое на погрузку вагонов у грузоотправителя (включая время на формирование маршрута), как правило, превышает время на выгрузку вагонов в порту. Учитывая также, что простой судна в порту стоит порядка 20 000 $/сутки, возникает необходимость организации «буфера» на подходе к порту, в котором будет накоплена большая часть «судовой партии», заранее погруженной грузоотправителем. В роли такого «буфера» могут использоваться пути на промежуточных станциях участках, примыкающего к припортовой станции.
