Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Связь плана формирования поездов с инфраструктурой железнодорожного транспорта 9
1.1. Существующие методики учета уровня развития инфраструктуры при расчете плана формирования поездов 9
1.2. Современные требования к автоматизированному расчету пфп приводят к учету уровня развития инфраструктуры 28
1.3. Элементы инфраструктуры железнодорожного транспорта, оказывающие влияние на пфп 30
1.3.1. Станции сети оюелезных дорог 31
1.3.2. Железнодорожные линии 33
1.4. Показатели работы элементов инфраструктуры в плане формирования поездов 34
1.5. Выводы по главе 37
Глава II. Разработка методики учета уровня развития инфраструктуры при автоматизированном расчете плана формирования поездов 39
2.1. Основные принципы построения автоматизированной системы по расчету плана формирования поездов 39
2.2. Расчет плана формирования поездов в ас рпфп 42
2.3. Предлагаемый подход к разработке подсистемы учета уровня развития инфраструктуры 44
2.3.1. Нси а с рпфп, содержащая параметры инфраструктуры 48
2.3.2. Учет параметров инфраструктуры при расчете показателей вариантов пфп 51
2.3.3. Выбор оптимального варианта пфп с учетом ограничений инфраструктуры 53
2.3.4. Уровень загрузки элементов инфраструктуры и отображение на полигоне сети 53
2.4. Реализации расчета пфп в автоматизированной системе 55
2.5. Метод модифицированного абсолютного расчета плана формирования поездов для разветвленных направлений 56
2.6. Учета уровня развития инфраструктуры в предлагаемой математической модели расчета пфп 64
2.7. Выводы по главе 67
Глава III. Алгоритм и программа расчета плана формирования поездов модифицированным методом абсолютного расчета 69
3.1. Основные положения 69
3.2. Алгоритм расчета плана формирования поездов с использованием предложенного модифицированного метода 70
3.2.1. Построение возмоо/сных вариантов выделения сквозных назначений 74
3.2.2. Получение оптимального варианта пфп для заданных назначений с учетом ограничения по переработке вагонов 80
3.3. Программа расчета плана формирования поездов на основе разработанного алгоритма 83
3.4. Интеграция программы по расчету пфп модифицированным абсолютным методом с ас рпфп 85
3.5. Апробация разработанного метода расчета пфп и анализ полученных результатов 88
3.5.1. Метод абсолютного расчета пфп с 5 станциями 89
3.5.2. Метод абсолютного расчета пфп с 6 станциями 92
3.5.3. Модифхщированный метод совмещенных аналитических сопоставлений и метод последовательного приближения 95
3.6. Расчет оптимального варианта пфп разработанным методом при наличии ограничения на переработку вагонопотока на станциях 98
3.7. Выводыпо главе 101
Глава IV. Учет уровня развития инфраструктуры при многокритериальной оценке плана формирования поездов 102
4.1. Теоретические основы, положенные в основу расчета пфп в
Ас рпфп 102
4.2. Основные положения 104
4.3. Объектная модель варианта пфп 105
4.4. Порядок составления варианта пфп 107
4.4.1. Задание параметров составления вариантов ПФП 108
4.4.2. Начало составления варианта пфп 108
4.4.3. Проверка целостности входных данных. 109
4.4.4. Привязка базовых корреспонденции к опорным станциям отправления 109
4.4.5. Создание обязательных назначений 110
4.4.6. Поэтапное составление назначений пфп по
4.4.7. Сохранение полученного варианта пфп из
4.5. Обоснование выбора объектной реализации алгоритма 114
4.6. Создание подсистемы учета уровня развития инфраструктуры в ас рпфп на основе предложенных принципов 115
4.6.1. Уровень развития инфраструктуры железнодорожного транспорта в ас рпфп. 116
4.6.2. Расчет показателей полученного варианта пфп 117
4.6.3. Выбор оптимального по парето варианта пфп 118
4.6.4. Отображению уровня загрузки участков на полигоне сети 122
Ал. Выводы по главе 124
Основные выводы по диссертации 125
Библиографический список
- Современные требования к автоматизированному расчету пфп приводят к учету уровня развития инфраструктуры
- Предлагаемый подход к разработке подсистемы учета уровня развития инфраструктуры
- Алгоритм расчета плана формирования поездов с использованием предложенного модифицированного метода
- Задание параметров составления вариантов ПФП
Введение к работе
Российские железные дороги являются самым надежным и эффективным видом транспорта, они занимают особое место в экономике нашего государства. Устойчивая и надежная работа железнодорожного транспорта имеет существенное значение для обеспечения хозяйственных и межрегиональных связей, целостности российской государственности, обороны и безопасности страны. На долю железных дорог, если не считать трубопроводный транспорт, приходится более восьмидесяти процентов отечественного грузооборота.
Возникшая в 20-30-х годах маршрутизация перевозок постепенно переросла в современную теорию организации вагонопотоков. Развитие теории сопровождалось появлением методов расчета плана формирования поездов.
Организация вагонопотоков была одной из первых сфер, с которых начиналось внедрение ЭВМ на железнодорожном транспорте [19]. Сегодня Автоматизированная система организации вагонопотоков (АСОВ) объединила в себе программные комплексы, без которых уже не мыслится решение широкого круга практических задач.
В освоении перевозок на железнодорожном транспорте решающую роль играют сортировочные станции, обеспечивающие реализацию наиболее сложной части системы организации вагонопотоков — их переработку и формирование технических маршрутов. От надежной и согласованной работы сортировочных станций зависит устойчивость перевозочного процесса на целых направлениях и полигонах сети железных дорог.
Одной из проблем при расчете плана формирования поездов был учет
уровня развития инфраструктуры железнодорожного транспорта — пропускной способности участков и перерабатывающей способности станций.
Основы теории и практики расчета ПФП положили профессора А.Н. Фролов, И.И. Васильев, П.Я. Гордеенко, А.П. Петров, К.А. Бернгард, А.К. Угрюмов, В.М. Акулиничев. На основе их методов были разработаны первые методики расчета плана формирования поездов с использованием ЭВМ. Это послужило значительным толчком к совершенствованию, как самих методов, так и теории организации вагонопотоков. Потребовало математической формализации, перехода от методик расчета к построению математических моделей, пригодных для программной реализации на ЭВМ.
Современное развитие теории организации вагонопотоков обязано ученым СВ. Дуваляну, Е.А. Сотникову, В.А. Шарову, А.Т. Осьминину, В.А. Ивницкому, А.Ф. Бородину, А.П. Батурину, В.И. Ковалеву, СЮ. Елисееву, И.И. Осьмининой, П.К. Рыбину, Н.Н. Куценко и др. ученых и специалистов. Их трудами создана современная теория расчета сетевого плана формирования поездов в условиях разделения собственников подвижного состава, многокритериальной оценки различных вариантов плана формирования, автоматизации расчета плана формирования поездов на основе других действующих на железнодорожном транспорте автоматизированных систем.
В расчете плана формирования поездов длительное время преобладал единственный критерий оценки вариантов плана формирования поездов. Выполненные А.Т. Осьмининым исследования показали эффективность многокритериального подхода к задаче организации вагонопотоков.
Разработки методик расчета плана формирования поездов прошлых лет базировались на предположении устойчивой тенденции роста объемов работы, что не требовало учета уровня развития инфраструктуры железнодорожного транспорта.
Переход к рыночной экономике в России привел к значительному спаду объемов перевозочной работы, что требовало пересмотра сложившейся системы хозяйствования. Для сокращения эксплуатационных расходов начали закрываться отдельные станции, парки путей. На ряде двусторонних сортировочных станций (Горький-сортировочный, Пермь-сортировочная, Хабаровск-И) одна сортировочная система была временно законсервирована [57]. Существенное влияние на изменение объемов переработки вагонов на сортировочных станциях оказывает и специализация железнодорожных направлений для пропуска пассажирских и грузовых потоков.
Сейчас в ОАО «РЖД» идет рассмотрение «Генеральной схемы», в соответствии с которой до 2010 года в развитие и реконструкцию объектов железнодорожного транспорта необходимо вложить 1,31 триллиона рублей. Общий срок окупаемости "Генеральной схемы" составляет 13 лет [90].
В «Генеральной схеме» определены перспективные объемы перевозок грузов и пассажиров по сети российских железных дорог, параметры развития материально-технической базы, перспективные инвестиционные потребности железнодорожного транспорта. По мнению разработчиков «Генеральной схемы», осуществление планируемых инвестиций позволит достичь к 2010 году роста производительности труда в 1,3 раза.
Исходя из изложенного, целью диссертационной работы явилось развитие методов учета параметров инфраструктуры железнодорожного
8 транспорта при автоматизированном расчете ПФП.
Для достижения этой цели потребовалось решить следующие основные задачи:
провести анализ существующих методик и разработанных на их основе программ для ЭВМ по расчету ПФП;
обосновать основные параметры, характеризующие уровень развития инфраструктуры, подлежащие учету при автоматизированном расчете ПФП;
разработать модель учета ограничений, связанных с уровнем развития инфраструктуры, при расчете ПФП и на основе разработанной модели предложить новый метод расчета ПФП;
на основе предложенного подхода разработать подсистему учета уровня развития инфраструктуры в АС РПФП.
Перечисленные задачи объединены общей идеей, направленной на повышение качества расчета плана формирования поездов и эффективности перевозок.
Для решения указанных задач в диссертации использованы методы системного анализа, дискретной математики, объектно-ориентированного анализа.
Материалами для исследования послужили труды отечественных ученых и инженеров по расчету плана формирования поездов, нормативные документы по организации вагонопотоков, базовые и действующие планы формирования грузовых поездов, опыт эксплуатации АС РПФП на сети железных дорог России и требования пользователей этой системы.
Современные требования к автоматизированному расчету пфп приводят к учету уровня развития инфраструктуры
Разработка плана формирования независимо от применяемого метода расчета план формирования поездов должна вестись в согласовании с технической оснащенностью станций — количеством сортировочных путей и перерабатывающей способностью. Существующие методы предполагают проверку достаточности технической оснащенности станций для выполнения полученного варианта плана формирования поездов после проведения расчета, проверка только декларируется и полагается на опыт эксперта. Поэтому после расчета план формирования поездов корректировался вручную, либо последовательностью расчетов с ограничениями или условными значениями нормативов Гэк.
Современный темп работы железнодорожной отрасли требует мгновенной реакции на изменения в эксплуатационных условиях: увеличение объемов работы станций больше возможных; выделение окон для ремонта путей; реконструкции станций, их горок, путей в сортировочном парке; изменение характера вагонопотока, снижение мощности одних струй и увеличение других струй вагонопотока; другие изменения, делающие выполнение ДПФП малоэффективным и даже приносящим значительные убытки отрасли.
Применение автоматизированных систем на железнодорожном транспорте изменило многое в технологии его работы. Применение АС РПФП уже сейчас помогает специалистам железных дорог России выбирать оптимальные варианты пропуска вагонопотоков.
Однако пользователи АС РПФП повышают свои требования к результатам расчета ПФП. И одним из актуальных в настоящее время требованием как раз стал учет ограничений инфраструктуры железнодорожного транспорта при автоматизированном расчете ПФП.
Недостаточно разработать план формирования поездов, график движения поездов, технологические процессы работы станций. Реальная эксплуатационная обстановка часто существенно отличается от нормативных условий, а возникающие при этом трудности нередко усугубляются неоптимально принятыми решениями [20]. Технологические документы сами по себе еще не гарантируют реализации своих возможностей [11].
Для составления плана формирования поездов пользуются среднесуточными размерами вагонопотоков. Однако фактические среднесуточные значения многих струй вагонопотоков за месяц, квартал и год существенно отличаются друг от друга. Отклонения фактических размеров вагонопотоков от расчетных иногда составляют 40-60%.
При любом отклонении фактического среднесуточного вагонопотока от расчетного принятый вариант ПФП уже нельзя считать оптимальным, так как заложенные в него нормы тем или иным образом учитывают размеры вагонопотоков. Кроме того, при значительных отклонениях размеров вагонопотоков принятый ПФП не только не обеспечивает экономической эффективности продвижения вагонопотока, но и создает значительные трудности в эксплуатационной работе станций и участков, а иногда и полную невозможность выполнения принятого варианта плана формирования в текущей оперативной обстановке на сети железных дорог. Поэтому одной из основных задач при составлении сетевого плана формирования поездов является правильное распределение сортировочной работы между станциями соответственно их технической мощности [5]. Для обеспечения выполнения
ПФП выполняется проверка: 1) соответствие числа сортировочных путей на каждой станции числу назначений поездов по ПФП; 2) соответствие перерабатывающей способности горок и вытяжек с учетом резерва числу поездов и вагонов, поступающих в переработку на данную станцию по ПФП, а также структуре перерабатываемого вагонопотока и отправляемого поездопотока.
Составляющие элементы инфраструктуры железнодорожного транспорта, оказывающие влияние на ПФП и рассмотренные в настоящей работе следующие: 1. Станции сети железных дорог. 2. Железнодорожные линии, которые соединяют станции в единую сеть.
Предлагаемый подход к разработке подсистемы учета уровня развития инфраструктуры
Проблема учета уровня развития инфраструктуры актуальна как для теории, так и для практики управления процессами перевозок. Создание подсистемы учета уровня развития инфраструктуры при расчете ПФП позволит снизить число последующих корректировок полученного оптимального варианта ПФП, уменьшить износ технических средств перегруженных станций, значительно ускорить продвижение вагонопотока за счет рационального распределения сортировочной работы. Новая подсистема учета должна быть адаптирована к действующей системе АС РПФП. При этом ее реализация должна быть универсальной, т.к. применима как на дорожном, так и на сетевом уровне системы.
Предлагаемая подсистема учета должна быть способна: хранить информацию об уровне развития отдельных элементов инфраструктуры, участвующих в расчете; рассчитывать уровень загрузки элементов инфраструктуры по полученным вариантам ПФП и выявлять превышения уровней загрузки элементов инфраструктуры; использовать при необходимости уровень загрузки как критерий отбора оптимального варианта ПФП; интегрировать в алгоритм расчета возможность проверки ограничений для получения конечных вариантов ПФП, предотвращая получение вариантов ПФП заведомо превышающие уровни загрузки элементов инфраструктуры.
Для создания автоматизированной подсистемы целесообразно использовать существующие модули в составе АС РПФП, с их последующей доработкой, а также путем добавлением новых модулей для решения задач, которых до этого не было. Этим уменьшается трудоемкость последующей реализации полученного решения и сохраняется общий стиль системы. Можно выделить следующие принципиальные решения в АС РПФП, на которых будет базироваться новая подсистема:
открытость системы к ее развитию и наращиванию функциональных возможностей — это обязательное условие, многие существующие в настоящее время системы устарели, используют информационные технологии прошлого века и более не развиваются;
выбор необходимой информации из действующих на сети дорог программных комплексов — если необходимая информация есть в других системах, ее можно импортировать в АС РПФП, оперативную информацию можно получать по расписанию или по моменту ее прихода. Это освобождает от ручного ввода информации и исключает возможность ошибок, вызванных «человеческим» фактором;
возможность реализации различных экономико-математических моделей — на основе одних и тех же данных можно применять различные методы расчета, что позволяет с большей легкостью сравнивать полученные решения различными методами и развивать их. Используется для решения задачи расчета ПФП различными методами;
Реализация интеллектуальной составляющей АС в процессе диалога пользователя с ЭВМ, выбора рационального плана формирования поездов путем решения многокритериальной задачи и поиска рациональных по Парето вариантов — выбор оптимального варианта ПФП основан на критериях, установленных пользователем системы, поэтому любое расширение критериев выбора оптимального варианта ПФП ведет за собой только увеличение свободы и удобства для пользователей;
Наглядное представление выполненных вагонопотоков на полигоне с топологией сети железных дорог — подобное представление информации являет собой предмет обоснованной гордости разработчиков, т.к. дает возможность пользователям системы одним взглядом оценивать обстановку на сети дорог и удобным для них способом анализировать структуру выполненных вагонопотоков.
В соответствии с вышесказанным возможна реализация учета уровня развития инфраструктуры при автоматизированном расчете ПФП в АС РПФП. Выстроена следующая организационная структура подхода к разработке подсистемы учета уровня развития инфраструктуры в рамках АС РПФП, приведенная на рис. 6.
Обозначенные на рис. 6 блоки могут составить элементы новой подсистемы, блоки, выделенные более жирной рамкой, требуют своей доработки, либо полностью новой разработки.
Алгоритм расчета плана формирования поездов с использованием предложенного модифицированного метода
Для полного расчета ПФП с учетом ограничений в главе II предложена математическая модель, при разработке которой был сделан упор на необходимость дальнейшего применения к ней современных высокоэффективных алгоритмов вычислений с использованием современной компьютерной техники. Это связано с тем, что единственным ограничением для получения решения является скорость работы конечного алгоритма расчета.
В соответствии с предъявленными требованиями был разработан алгоритм расчета ПФП, реализующий вышеописанную математическую модель. Общий порядок проведения расчета приведен на рис. 11.
Рис. 11 пока не отражает логических операций над отдельным вариантами ПФП, потому что в идеале все операции над отдельными вариантами ПФП можно провести одновременно, выбрав в конце лучший из них, так как расчет одного варианта независим от расчета другого. Далее порядок расчета будет рассмотрен все более и более детально, раскрывая ключевые решения, позволяющие применять предлагаемый метод полного расчета ПФП на разветвленных расчетных полигонах с учетом ограничений. Порядок расчета подразумевает выполнение следующих комплексных операций:
1. Задание исходных данных, включающих в себя вагонокорреспонденции между расчетными станциями, маршруты между станциями, нормативы затрат на накопление и переработку вагонов на станциях, ограничения по формированию и переработке вагонов на станциях. Это общий этап во всех методах расчета, подразумевающий ввод и подготовку исходных данных.
2. Построение всех возможных назначений между станциями с объединением в общий список. Построение всех возможных назначений производится с учетом заданных маршрутов, тем самым учитывается топология расчетного полигона, позволяя производить расчет не только на линейном направлении, но и разветвленном. Полученный общий список всех возможных назначений между станциями на заданном расчетном полигоне используется для построения вариантов выделения сквозных назначений. Каждый такой вариант представляет собой набор из возможных назначений, поскольку каждое возможное назначение может либо входить в вариант, либо не входить, то количество вариантов равно 2(Юмшчсяво В03М0ЖИЬ1Х 1Изначспий) , что находится в полном согласии с формулой (3) для неразветвленного направления в случае обязательных участковых назначений.
Каждый вариант выделения сквозных назначений необходимо проверять на допустимое количество формируемых каждой станцией назначений, по условию (8). Если при этом учесть, что ограничение идет сверху, т.е. станции не могут формировать более заданного количества назначений, и вести построение вариантов в последовательности, приводящей только к росту количества формируемых на станциях назначениях, то появляется возможность заранее исключать из рассмотрения варианты, нарушающие установленные ограничения.
4. Для каждого допустимого варианта выделения сквозных назначений производится построение варианта ПФП путем определения оптимального варианта включения вагонокорреспонденций в полученный вариант выделения сквозных назначений, в соответствии с условием (5). Поскольку вариант включения вагонокорреспонденций определяет объем переработки по станциям, то необходимо также принимать во внимание условие (10) для учета перерабатывающей способности станции. Здесь ограничение на переработку так же, как и с количеством формируемых назначений, идет сверху. Поэтому алгоритм решения задачи в соответствии с условием (5), приняв это во внимание, при соответствующей организации может не только запрещать варианты, нарушающие ограничение, но и совсем исключать их из рассмотрения (сокращая необходимый для решения задачи объем вычислений).
5. Построив все допустимые варианты ПФП, среди них выбирается оптимальный вариант ПФП и нужное количество вариантов ПФП, близких к нему по затратам.
Теперь рассмотрим более подробно пункты 3 и 4. Именно они скрывают потенциал, который необходим для применения эффективных вычислительных методов.
Задание параметров составления вариантов ПФП
После получения базовых корреспонденции с маршрутным пособием проверяется корректность и целостность данных. Для этого каждая базовая корреспонденция вагонов проверяется на наличие на ее маршруте станций отправления и назначения, т.е. возможность проведения вагонов по этому маршруту.
Далее для междудорожных и международных, а также заданных пользователем назначений выбираются маршруты следования по действующему ПФП, т.к. маршрут для них отсутствует в «маршрутном пособии», которое было сформировано только для базовых корреспонденции вагонов.
В случае обнаружения в исходных данных ошибок и несоответствий производиться запись в отчет по составленному варианту, а неверная корреспонденция удаляется. В случае критической ошибки исходных данных (отсутствие данных за выбранный период, не выбраны станции для расчета, неверные пороги для формирования назначений или групп и другие) выдается соответствующее сообщение пользователю и составление вариантов ПФП не производится, пока указанные ошибки не будут устранены.
После проверки на целостность происходит обновление маршрута следования с учетом заданных пользователем станций для участия в составлении вариантов ПФП. При этом станция отправления заменяется первой используемой станцией по маршруту следования, а станция назначения, соответственно, — последней.
Прежде чем приступить к составлению варианта ПФП создаются обязательные к формированию назначения. Если это междудорожные или международные назначения, то определяется условие единственности варианта ухода базовой корреспонденции с расчетного полигона в составе какого-либо из этих назначений. Если условие выполняется, то корреспонденция сразу включатся в состав вагонов этого единственного назначения, а ее опорная станция назначения приравнивается к станции формирования этого назначения.
Создается «первоначальный ПФП», каждая базовая корреспонденция передается станции, которая является опорной станцией отправления для этой корреспонденции. Потом составление варианта ПФП разбивается на 3 этапа: 1) составление ПФП от опорных станций до первой сортировочной станции на маршруте базовой корреспонденции; 2) составление ПФП от сортировочной станции до последней сортировочной станции на маршруте; 3) составление ПФП от последней сортировочной станции до опорной станции назначения.
В общем случае для оставшихся на каждой станции вагонов определяются струи вагонопотоков на все станции назначения этих вагонов, начиная с самой дальней струи. Если значение вагонопотока составляет больше заданного порога на выделение сквозного назначения, то выделяется назначение. В его составе вагоны могут составлять группы, если они насчитывают больше заданного минимума количества вагонов на формирование группы вагонов, или следовать в составе поездов без подборки в группы при числе вагонов в них меньшем, чем задано. Этот процесс продолжается, пока не появится возможность формирования назначения или пока более близкая станция не окажется соседней. В последнем случае между соседними станциями назначаются поезда в пределах участка. В назначении может быть любое число вагонов. Вопрос о категории поезда (вывозной, передаточный, сборный и т.д.) решается в службе перевозок.
Для дальнейшей реализации учета ограничений, накладываемых инфраструктурой, в диссертации предложена модификация используемого в настоящее время в АС РПФП алгоритма расчета ПФП, которая обозначена на рис. 28.
Разработчиками АС РПФП ведутся работы по внесению изменений в программное обеспечение. В настоящее время в алгоритме реализован учет количества сортировочных путей, отведенных на станциях для накопления вагонов по назначениям ПФП.
