Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ существующих методов организации взаимодействия железной дороги и морских портов 10
1.1 Организация взаимодействия железной дороги с портами в России и за рубежом 10
1.2 Особенности работы крупнейших морских портов России и Европы 20
1.3 Анализ работ отечественных авторов в области взаимодействия железнодорожного транспорта и морских портов 32
1.4 Выводы по разделу и постановка задач исследования: требования к структуре модуля планирования подвода поездов к припортовым станциям. 41
Глава 2. Разработка прогнозной модели продвижения поездопотоков по участку 45
2.1 Анализ и классификация методов и моделей прогнозирования 45
2.2 Метод выбора горизонта прогноза 48
2.3 Выбор структуры искусственной нейронной сети 54
2.4 Выбор компонент входного вектора для нейронной сети 63
2.5 Реализация нейронной сети для прогнозирования времени хода поезда по участку 69
2.6 Выводы по главе 77
Глава 3. Разработка модели автоматизированного планирования подвода поездов к припортовым станциям 79
3.1 Постановка задачи выбора очередности подвода поездов к припортовым станциям в терминах неопределенного программирования 79
3.2 Однокритериальная модель выбора очередности подвода поездов к припортовым станциям 84
3.3 Многокритериальная модель планирования подвода поездов к припортовой станции 99
3.4 Выводы по главе 103
Глава 4. Разработка модели принятия решений при оперативном регулировании подвода поездов к припортовым станциям 106
4.1 Модель оперативного регулирования подвода поездов к припортовым станциям 106
4.2 Оценка экономического эффекта от применения модуля оперативного планирования подвода поездов к припортовым станциям и взаимодействия станции и порта 129
4.3 Выводы по главе 137
Заключение 139
Список использованных источников 141
Приложение 1 155
Приложение 2 185
Приложение 3 232
Приложение 4 235
- Организация взаимодействия железной дороги с портами в России и за рубежом
- Выбор компонент входного вектора для нейронной сети
- Многокритериальная модель планирования подвода поездов к припортовой станции
- Оценка экономического эффекта от применения модуля оперативного планирования подвода поездов к припортовым станциям и взаимодействия станции и порта
Организация взаимодействия железной дороги с портами в России и за рубежом
С момента возникновения железных дорог этот вид транспорта стал основным партнером морских портов при перевозках массовых грузов.
Железнодорожные пути располагались на портовой территории непосредственно на погрузочно-выгрузочных фронтах на причалах и у складов. Более того, с конца XIX века на российских железных дорогах появился новый вид грузовых станций – портовые, на основе которых стали формироваться и развиваться припортовые железнодорожные узлы. Практически с первых дней появления железнодорожного подвижного состава на территории порта возникла необходимость точно увязывать время подачи и уборки подвижного состава с продолжительностью выполнения грузовых операций. В XX веке с увеличением грузооборота портов, появлением морского и железнодорожного подвижного состава, обладающего высокой грузоподъемностью и скоростью движения, ощутимой стала проблема наличия единой технологии работы порта и припортовых станций. В 80-х годах прошлого века в Ленинграде был поставлен эксперимент по организации взаимодействия моряков, портовиков, железнодорожников и автомобилистов. Была впервые опробована единая технология работы транспортного узла. Эта работа продолжается и сегодня, но необходимо развитие и применение новой информационной и технологической базы, что определяет актуальность диссертационного исследования.
Основная цель взаимодействия железной дороги и морского транспорта состоит в подводе и подаче в порт согласованного количества вагонов с определенным видом груза в установленный период времени.
Качество взаимодействия припортовой железнодорожной станции и порта обеспечивается согласованной работой по следующим направлениям:
- техническом;
- технологическом;
- организационно-управленческом;
- экономическом;
- правовом. В диссертационном исследовании акцент сделан на двух ключевых направлениях: технологическом и организационно-управленческом. Причем второе направление в настоящее время в условиях цифровизации железнодорожного транспорта имеет приоритетное значение.
Для обеспечения современного уровня управления перевозками и непрерывного взаимодействия железной дороги и морских портов необходимо качественное планирование не только оперативной поездной, но и увязка ее с местной работой в узле на ближнюю, среднюю и дальнюю перспективу. При этом, планирование является одним из важнейших элементов управления, который включает в себя следующие этапы:
1. Постановка цели планирования;
2. Четкое формулирование конкретных задач, которые позволят достичь цель;
3. Определение для каждой задачи путей и средств достижения цели;
4. Рассмотрение альтернативных решений;
5. Установление сроков достижения цели.
Планирование взаимодействия железной дороги и порта основывается на следующих принципах:
1. Непрерывность – планирование взаимодействия двух транспортных объектов (порта и железнодорожной станции) должно осуществляться как на ближайшую, так и на длительную перспективу;
2. Научность – планирование технологического и технического развития транспортных систем и их отдельных элементов должно осуществляться на научной основе, т.е. опираться на достоверную информацию и выполняться научно обоснованными методами;
3. Гибкость – разработанные планы должны корректироваться в соответствии с возможными изменениями в перевозочном процессе;
4. Точность – соответствие планирования технологических процессов установленным объемам и срокам их выполнения;
5. Приоритетность – направленность программ и планов на достижение стратегических целей развития предприятий взаимодействующих видов транспорта.
В настоящее время существуют следующие логические и экономико-математические методы [26-27], наиболее часто используемые для планирования транспортных процессов:
1. Программно-целевой метод – планирование, в основе которого лежит разработка комплексных программ, ориентированных на достижение поставленных целей;
2. Балансовый метод – планирование проводится на основе составления различных документов по принципу балансов;
3. Нормативный метод – планирование осуществляется с учетом системы норм и нормативов;
4. Экономико-математическое метод – в ходе планирования используют различные экономико-математических модели, представляющие собой формализованное описание исследуемого экономического процесса (объекта) в виде математических зависимостей и отношений;
5. Метод прогнозирования – представляет собой совокупность приемов и способов, позволяющих на основе изучения внутренних закономерностей развития объекта и его внешних связей вывести суждение (прогноз) определенной достоверности о будущем состоянии объекта прогнозирования;
6. Интуитивные методы основываются на интуитивно-логическом мышлении. Они используются, когда при планировании невозможно из-за значительной сложности объекта учесть влияние ряда факторов и результат предполагается без обоснования или если объект слишком прост и не требуется проведения трудоемких расчетов.
Как показывает практика, при оперативном планировании на железных дорогах применяются в основном нормативный и интуитивный методы. При этом стоит отметить, что как в области местной работы, так и при оперативном регулировании движения поездов за своевременность, точность и качество планирования отвечает оперативно-диспетчерский персонал. Автоматизированных систем, которые бы могли без участия человека планировать работу с учетом «возмущающих» воздействий – неравномерности эксплуатационной работы, неравномерности времени прохождения различными поездами участков железных дорог, неплановых задержек поездов и др. – в настоящее время пока не существует, но уже стабильно функционируют системы, фиксирующие возникновения различного рода нарушений в работе железнодорожного транспорта и определяющие состояние «предотказа».
Успешность реализации процесса взаимодействия железной дороги и морского порта зависит от: своевременного подвода подвижного состава к стыковому пункту в режиме, обеспечивающем бесперебойную работу обоих видов транспорта, и организации управления местной работой в пункте стыкования. В системе ОАО «РЖД» реализована иерархическая система управлением соответствующими процессами, которая предусматривает разграничение технологического процесса планирования организации поездного движения и управления местной работой в дорожной дирекции управления движением – структурном подразделении Центральной дирекции управления движением ОАО «Российские железные дороги» (ЦД) по уровням ответственности и горизонтам времени.
Каждый из уровней управления ЦД отвечает за результат работы в пределах установленных и закрепленных за ним компетенций.
Выбор компонент входного вектора для нейронной сети
В ИНС многослойный персептрон осуществляет расчет вектора выходных данных y для любого вектора входных данных x. Исходным условием задачи прогнозирования, которая ставится перед персептроном, является множество векторов [X1, X2, …, Xn]T, а решением служит множество векторов [Y1, Y2, …, Yn]Т. Важным этапом формализации прогнозируемого процесса является смысловое значение, которым вкладывается в каждую компоненту вектора входных данных. В общем случае каждый вектор может представлять собой как просто ряд значений, на основе которых необходимо осуществить прогноз (в этом случае на один нейрон входного слоя подается одно значение временного ряда), так и значения с дополнительными признаками, которые «объясняют» его (в этом случае во входном слое каждый нейрон имеет свою роль, например, первый нейрон принимает значение прогнозируемой величины, второй – значение первого коррелирующего фактора, третий – значение второго фактора и т.д.). На практике второй подход может показывать более точные результаты, но необходимым условием является наличие четкой связи значений временного ряда с этими факторами.
Фактическое время следования поезда по участку зависит от большого количества факторов, полностью учесть которые не представляется возможным. Многие из этих факторов влияют постоянно, но с разной интенсивностью, некоторые достаточно редки, некоторые - взаимозависимы. Для расчетов же графиковых времен хода на железных дорогах ОАО «РЖД» используются Правила тяговых расчетов для поездной работы (ПТР), устанавливающие порядок и методику тяговых расчетов, а также основные нормативы, принимаемые в них. Согласно ПТР, масса состава и скорость движения поезда определяются исходя из мощности и тяговых качеств локомотива (за исключением энергооптимальных тяговых расчетов). Кроме этого, в расчетах также учитываются удельные сопротивления движению локомотивов и вагонов, значения расчетных подъемов и т.д. Кроме того, имеется возможность расчета времен хода поездов по перегонам в зависимости от невозможности реализации установленной скорости из-за ограничений массы поезда по длине станционных путей.
В общем виде можно вывести следующий алгоритм расчета времени хода поезда по перегонам:
1. Определить массу состава расчетным путем с учетом силы тяги локомотива, значений удельного сопротивления движению локомотива и вагонов и значений расчетного подъема;
2. Произвести проверку массы поезда по длине приемо-отправочных путей. Если поезд не умещается по длине, уменьшить количество вагонов и откорректировать массу состава;
3. В зависимости от силы тяги локомотива определенной серии выбрать значение скорости по номограммам, приведенным в приложениях к ПТР;
4. Рассчитать время хода поезда по перегону в зависимости от выбранного значения скорости.
В действительности процесс намного сложнее, чем приведенный выше упрощенный алгоритм, но алгоритм достаточно точно передает основную суть. Можно сделать вывод, что при расчете времени хода поездов по перегонам как функции от скорости их движения, важную роль играют масса состава и его длина. При этом длина представляется функционалом от массы. Учитывая важность понимания характера этих зависимостей, в настоящем исследовании при определении компонентов входного вектора использовался корреляционный анализ, позволяющий выявить влияние массы поезда и его длина на его время хода по перегонам в реальных условиях. В упрощенном представлении более тяжелый поезд имеет более низкую среднюю скорость движения по участку в зависимости от профиля трассы. И, как правило, более длинный груженый поезд имеет больший вес. Более длинный поезд также при прохождении трассы, имеющей в плане кривые малого радиуса, снижает скорость на таких участках.
В реальных условиях, помимо технических характеристик локомотива и профильных характеристик трассы, на скорость движения поезда влияют такие трудно учитываемые факторы, как: погодные условия, температурный режим, состояние железнодорожного пути, внимательность локомотивной бригады и соблюдение ими рекомендуемого скоростного режим и т.п. К сожалению, получить такие данные из информационных систем пока невозможно. С другой стороны, фактически исполненное время хода поездов по перегонам уже само по себе является результатом воздействия всех перечисленных выше факторов, и косвенно содержит в себе все их числовые значения. Выявление их влияния возможно при обучении ИНС на основе достаточной по объему статистической выборки. Кроме этого, с помощью корреляционного анализа необходимо явно определить наличие и степень влияния на время хода поездов основных выделенных характеристик: массы и длины.
При этом в зависимости от знака коэффициента корреляции определяется прямая зависимость (положительный r) или обратная (отрицательный r). Результаты корреляционного анализа показателей масса поезда – время хода поезда по перегону представлены на рис. 2.8.
Как видно, значение коэффициента корреляции r = - 0,49 показывает на наличие обратной слабой статистической взаимосвязи между массой и временем хода поезда по участку. Результаты корреляционного анализа между длиной состава поезда и временем хода поезда представлены на рис. 2.9. Значение коэффициента корреляции r = - 0,003 показывает, что связь между исследуемыми параметрами в реальных условиях практически отсутствует.
Полученные результаты могут быть обусловлены ограничивающей ролью графика движения и системами интервального регулирования движения поездов, в том числе и диспетчерским регулированием движения поездов, которое способствует поддержанию скорости движения поездов в соответствии с нормами, заложенными в графике.
Многокритериальная модель планирования подвода поездов к припортовой станции
Многокритериальные задачи неопределенного программирования характеризуются определенной структурой приоритетов целей управления, и предназначены для более точного и качественного решения. Разработанная модель включает в себя 2 уровня приоритетов.
1. На первом уровне возможность того, что груз прибудет на терминал в установленный интервал времени, должна достигать 0,95. В этом случае: где df, di+ - отклонения от назначенных сроков доставки. Здесь df должно быть минимизировано (т.е. поезд не должен прибыть раньше назначенного времени, чтобы исключить возможность непроизводительного простоя вагонов на припортовой станции и снижения пропускной способности станционных путей).
2. На втором уровне приоритетов требуется минимизировать общий простой поездов на участке: где df, d2+ - отклонения времени нахождения поезда на участке от установленного графиком движения. Здесь d2+ должно быть минимизировано.
Тогда многокритериальная модель неопределенного программирования выглядит следующим образом: где lexmin - оператор лексикографической минимизации вектора целевых функций. Он устанавливает определенный линейный порядок для целевых функций в зависимости от их приоритета.
При использовании многокритериальной оптимизации планирования подвода поездов к припортовой станции выше описанный алгоритм для однокритериальной задачи следует несколько модифицировать.
План подвода поездов к припортовой станции представляется с помощью возможного решения Р (plane) = (х, у, f), где х - количество терминалов, y – количество видов груза в составах поездов, t – время отправления поезда со станции. Таким образом, элементы совпадают с независимыми переменными исходной задачи. Интервал времени, в течение которого необходимо доставить груз клиенту, имеет вид [a, b]. Это означает, что элемент t, связанный со значениями моментов времени отправления поездов, будет принимать значения из гиперкуба [a, b]k.
Начальное значение возможного решения формируется следующим образом.
1. Для элемент x определяется последовательность {x1, x2,…, xn}. Затем внутри него n раз формируется случайная позиция n`, после чего производится обмен значениями между xi и xn`. Тогда последовательность {x1, x2,…, xn} представляет собой случайную перегруппировку последовательности {1, 2,…, n}. В результате получается элемент x = (x1, x2,…, xn).
2. Элемент y получается в результате упорядочения последовательности {y1, y2,…, ym} по возрастанию.
3. Элемент t получается в результате задания величин tk как случайного числа из интервала времени [a, b].
Из полученных элементов формируется возможное решение P, представляющая собой декомпозицию поезда в виде «терминал – груз – время» (табл. 3.8). Терминалы нумеруются также, как грузы. Так же, как и в однокритериальной модели, поезд представляется в двоичном коде (табл. 3.9.)
Таким образом, множество возможных решений представлена п возможных решений (по количеству поездов): рь 100101101011010100101101011010001000011000101 р2: 000001001100110000001001100110000000000100010 р3: 011100000101000011100000101000010000001100111
Функции приспособленности множества возможных решений определяются таким же образом, как и в однокритериальной модели.
4. Действие оператора кроссинговера происходит следующим образом. Из открытого интервала (0, 1) формируется случайное число с. Затем определяются точки обмена информацией в гене Г:
Выполнение оператора кроссинговера дает два новых возможных решения, имеющих связь с первичными предполагаемыми решениями Рлі и Рг
Затем производится выполнение стандартного «генетического алгоритма».
При тех же самых исходных данных, что и в однокритериальной модели, после выполнения 1000 циклов, получается следующий план подвода.
Поезд 1: 9-6-3, время отправления 7.44
Поезд 2: 1, время отправления 7.34
Поезд 3: 2-8-4, время отправления 7.55
Поезд 4: 7-10, время отправления 8.00
Общее время нахождения поездов на участке составило 437 минут. Первый уровень приоритета полностью выполняется.
Оценка экономического эффекта от применения модуля оперативного планирования подвода поездов к припортовым станциям и взаимодействия станции и порта
Внедрение любой автоматизированной системы должно экономически оцениваться как с точки зрения затрат на ее производство и эксплуатацию, так и по экономическому эффекту от ее использования в практической деятельности.
Для определения экономического эффекта от применения модуля оперативного планирования подвода поездов к припортовым станциям и взаимодействия станции и порта были выполнены расчеты в системе инженерных расчетов MatLab. В расчетах сравнивался выполненный план подвода поездов к станции Лужская с планом подвода, рассчитанным с помощью предлагаемого модуля.
Общее время простоя поездов на участке составляет 155,59 часов. При этом простой на станциях участка в ожидании обгона составляет 47,33 часа, что превышает время стоянок по графику движения поездов на 32,15 часа. Исходя из информации о маршруте поездов можно рассчитать ущерб, связанный с увеличением времени простоя поездов в пути следования, согласно Методическим рекомендациям по расчету ущерба от транспортных происшествий и иных связанных с нарушением правил безопасности движения и эксплуатации железнодорожного транспорта в ОАО «РЖД», можно определить по формуле: где еп.цп, еп.чгп - стоимость 1-го поездо-часа соответственно пассажирского и грузового поезда; Nnn, N2n - количество задержанных соответственно пассажирских и грузовых поездов; tnn, ten - время задержки соответственно пассажирских и грузовых поездов на участке сверх графикового времени.
Для плана подвода, представленного в таблице 4.4, ущерб, связанный с увеличением времени простоя в пути следования, составит 77796,25 руб. Нетрудно посчитать, что в среднем в год Октябрьская железная дорога только на подходах к станции Лужская может понести убытки в размере 28395,63 тыс. руб.
Участковая скорость поездов для данного плана подвода поездов, направляющихся в порт, рассчитается согласно выражения: где Li.гп – километры пробега i-го поезда на участке.
Расстояния между станциями взяты из Тарифного руководства №4 книга 3 и представлены в таблице 4.6. Зона оперативного планирования определяется исходя из таблицы 2.1. Для рассматриваемого плана подвода значение Vуч = 44,6 км/ч.
Для плана подвода, представленного в таблице 4.7, ущерб, связанный с увеличением времени простоя в пути следования, составит 50210,64 руб. По сравнению с вариантом в таблице 4.4 экономия составит 27585,61 руб, что в среднем в год может принести экономию в размере 10068,74 тыс. руб. по станции Лужская. Значение участковой скорости составит Vуч = 48,2 км/ч, что на 3,6 км/ч выше, чем по плану подвода, представленному в таблице 4.4. Время нахождения поездов на технических станциях участка также снизилось на 25%.
Экономический эффект от снижения времени занятия путей на технических станциях рассчитывается по формуле: где е1км - единичная расходная ставка на 1 час занятия 1 километра станционных путей, которая принимается равной 35,9 руб. Экономический эффект составит 161844,7 руб. в год. Также за счет более качественного планирования снизится время нахождения локомотивов на технических станциях. Экономический эффект от этого можно рассчитать по следующей формуле:
Общий эффект от сокращения времени нахождения поездов на технических станциях составит:
По результатам расчетов общая экономия от снижения времени занятия станционных путей поездами для региона составит 3,8 млн. руб./год.
Экономический эффект может быть определен за счет снижения затрат на локомотивные бригады по формуле: где кяв - коэффициент, учитывающий отношение списочного и явочного числа локомотивных бригад, принимается равным 1,2; IJN-Sn - поездо-километры пробега грузовых поездов; ЄбР - единичная расходная ставка в грузовом движении на 1 бригадо-час локомотивной бригады, руб.
В результате расчета экономический эффект от увеличения участковой скорости, благодаря внедрению автоматизированного модуля планирования подвода поездов к припортовой станции с учетом условий взаимодействия станции и порта, составил 7,5 млн. руб. /год.