Содержание к диссертации
Введение
1.. История и современное состояние проблемы управления развитием полигонов транспортных сетей 16
1.1. Основные понятия и общие принципы регионально-транспортных исследований , 16
1.2. Область исследования 17
1.3. Краткий обзор теории и практики формирования и развития транспортных сетей . 21
1.4. Выводы по главе 1 46
2. Методологические основы, модели и методы решения проблемы перспективного планирования развития по лигонов транспортных сетей 48
2.1. Постановка задачи регионально-транспортного исследования 48
2.2. Структура модели полигона транспортной сети 61
2.3. Экономико-математическая модель I и II уровней РТИ 66
2.4. Теоретическое обоснование использования методов статистического моделирования 70
2.5. Общая схема (алгоритм) решения задачи РТИ первого уровня 91
2.6. Выводы по главе 2 103
3. Теория и практика решения задач II уровня управления 105
3.1. Общие положения 105
3.2. Общий алгоритм решения задачи усиления транспортной сети железнодорожного направления 108
3.3. Методология оптимального распределения потоков заявок на II уровне РТИ по полигону сети железных дорог 111
3.4. Алгоритм поиска кратчайшего пути 119
3.5. Принципы формирования графа возможных переходов второго уровня 122
3.5.1. Учет мероприятий по повышению среднего веса поезда 122
3.5.2. Методика выбора мероприятий по повышению скорости движения поездов 133
3.6. Выводы по главе 3 136
4. Основные принципы решения оптимизационных задач оперативного управления строительством объектов 137
4.1. Модели функционирования систем управления 137
4.2. Классификация оптимизационных задач 141
4.3. Формирование технико-экономических показателей оптимизационных задач Ш уровня 142
4.4. Методика решения некоторых практических задач Ш уровня управления 145
4.4.1. Планирование капиталовложений в развитие производственной базы строительной организации 146
4.4.2. Выбор оптимальной последовательности производства работ по объектам строительства 149
4.5. Выбор оптимальных схем комплексной механизации строительных работ 164
4.5.1. Выбор критерия оптимальности 164
4.5.2. Анализ методов расчета оптимальных схем механизации строительных работ 166
4.5.3. Постановка задачи . 167
4.5.4. Учет дополнительных факторов 171
4.6. Выводы по главе 4 176
5. Методика оценки экономической эффективности альтернатив 177
5.1. Общие положения 177
5.2. Методика расчета 186
5.3. Выводы по главе 5 205
6. Государственно-частное партнерство в решении проблем развития полигонов сети железных дорог 206
6.1. История концессионного строительства железных дорог в России и за рубежом 208
6.2. Анализ современного положения в области развития сети железных
дорог 222
6.3. Анализ форм организации строительства, применяемых на транспорте 226
6.4. Основные положения договора концессии и принципы его применения при строительстве и эксплуатации железных дорог 230
6.5. Методика оценки риска в договорах концессии 234
6.6. Оценка эффективности договора концессии на строительство и эксплуатацию железных дорог 238
6.6.1. Факторы, влияющие на эффективность договора концессии... 238
6.6.2. Классификация затрат и эффектов, сопровождающих строительство железной дороги
6.7. Построение дерева сценариев поступления денежных потоков при реализации договора концессии на строительство и эксплуатацию железной дороги 249
6.7.1, Определение величины чистого дисконтированного дохода (ЧДД) на дереве сценариев поступления денежных потоков... 252
6.7.2. Обработка полученного ряда значений ЧДД 256
6.8. Выводы по главе 6 259
7. Информационное обеспечение задач управления развитием полигонов сети железных дорог 261
7.1. Общие положения 261
7.2. Концепция формирования информационной системы 265
7.3. Основные принципы формирования базы данных систем управления 269
7.4. Пути реализации концепции информационного обеспечения задач РТИ 270
7.5. Методика сбора и обработки информации, ее состав и содержание 284
2.5.1. Информационное обеспечение отдельных этапов системы управления развитием сети 284
2.5.2. Обработка информации 289
7.6. Выводы по главе 7 306
Заключение 307
Список использованной литературы 316
Приложения 338
- Краткий обзор теории и практики формирования и развития транспортных сетей
- Структура модели полигона транспортной сети
- Общий алгоритм решения задачи усиления транспортной сети железнодорожного направления
- Формирование технико-экономических показателей оптимизационных задач Ш уровня
Введение к работе
Проблема формирования и развития транспортных систем, достаточно сложная для любой страны, значительно усложняется для больших территорий и неравномерной плотности сети путей сообщения по площади.
Решению этой проблемы всегда уделялось большое внимание во всем мире, особенно в странах, обладающих развитой транспортной сетью.
Большая заслуга в создании теории и практики проектирования транспортных сетей принадлежит таким видным ученым, как Л.Н.Бернацкий, И.И. Борзов, И.Н.Борисов, Д.И.Каргин, П.Лаунгардт, ГТ.П.Мельников, В.Н.Образцов, А.П.Петров, В.И.Петров, Н.П.Петров, В.М.Яцына и др. Из современных ученых различным аспектам проблемы значительное внимание уделяли Г.Л. Аккерман, В.А. Ардашин, А.Й. Арсенов, А.А. Бакаев, Н.П.Бусленко, Ю.А.Быков, Б.А.Волков, А.В.Гаври-ленков, М.К.Гавурин, С.М.Гончарук, А.В.Горинов, Ю.В.Дьяков, Л.В.Канторович, Г.Н.Ковшов, Б.С.Козин, И.Т.Козлов, С.Б.Козлова, А.П.Кондратченко, В.Н.Лившиц, А.Л.Лурье, А.М.Макарочкин, Б.С.Малышев, В.С.Миронов, В.С.Михалевич, Н.Н.Моисеев, Н.И. Мокро-усова, Е.П.Нестеров, В.А.Паршиков, Г.С.Переселенков, С.И.Першин, Э.И.Позамантир, Г.А.Полякова, А.С.Понарин, М.М.Протодьяконов, В.Л.Станиславюк, Э.С.Спиридонов, А.И.Толстой, И.В.Турбин, Я.В.Хомяк, В.Н.Черенин, В.С.Шварцфельд, Ю.Ф.Шишков, и многие другие исследователи транспортных систем.
Экономические аспекты проблемы развития отдельных видов транспорта и транспортных систем рассматривались в трудах И.В. Белова, А.В.Болотина, Б.А.Волкова, СЮ. Витте, В.И. Дмитриева, В.Н. Лившица, Н.П. Терешиной, Т.С. Хачатурова, А.Д. Чудновского и многих других ученых - экономистов.
В постановке и решении задач регионально-транспортных исследований (РТИ), введении в научный оборот системы основных понятий РТИ, велика роль таких ученых, как Ю.А.Быков, Н.С.Бушуев, Б.А.Волков,
А.В.Гавриленков, В.И.Евграфов, В.С.Миронов, И.Г.Переселенкова, В.М.Петров, И.В.Турбин, Л.В.Элькина, Б.В.Яковлев, и др.
Значителен вклад в решение регионально-транспортных проблем коллективов научно-исследовательских, учебных и проектных институтов, таких как ВНИИЖТ, ИКТП, ЦНИИС, ГипротрансТЭИ, МГУПС (МИИТ), ПГУПС (ЛИИЖТ), НГУПС (НИИЖТ), ДВГУПС (ХабИИЖТ), ДИИТ, Бе-лИИЖТ, Мосгипротранс, Ленгипротранс и многих других коллективов. Вместе с тем, до настоящего времени нет единой научно-обоснованной системы РТИ, позволяющей в реальном масштабе времени получать конкретные проектно-плановые решения с учетом прогнозов развития народного хозяйства страны.
Актуальность проблемы. Управление сетью железных дорог России, представляющей собой сложнейшую технико-экономическую систему с исторически сложившейся топологией, различной мощностью отдельных участков, элементов и объектов - задача чрезвычайно сложная. Кроме того, необходимо учитывать новое геополитическое положение России, ее вхождение в мировое хозяйственное сообщество и процессы реформирования железнодорожного транспорта, существенно меняющие принципы работы системы и процессы инвестирования в ее развитие.
Как отмечается в концепции реформирования железнодорожного транспорта и в материалах Всероссийского совещания, проведенного в декабре 2003 г., выработавшего стратегию развития транспортной системы до 2025 года [1], в настоящее время во всех отраслях транспортного комплекса, в том числе и железнодорожного, сохраняется тенденция старения основных фондов и их неэффективного использования. Так, например, на железнодорожном транспорте износ основных фондов на сегодня превышает 55%. Потребность инвестиций на обновление основных фондов и развитие отрасли составляет на ближайшие 5 лет около 800 млрд. рублей. При этом известно, что из средств федерального и региональных бюджетов инвестируется всего 2,2% от потребного. Кроме того, как констатируется в «Транспортной стратегии Российской Федерации», существуют значительные региональные несоответствия в развитии транспортной системы в целом и сети железных дорог в частности.
Транспортная система страны должна быть рационализирована таким образом, чтобы «грузоемкость» внутреннего валового продукта (ВВП) была бы значительно снижена (увеличение грузооборота на 1 рубль прироста ВВП в настоящее время составляет 0,33 ткм, в то время как в развитых странах почти в 10 раз меньше).
Изложенное выше указывает на актуальность и неотложность решения в ближайшее время следующих проблем:
разработки концепций оптимального управления развитием транспортных систем в целом и системой железнодорожного транспорта в частности, с учетом региональных несоответствий;
разработки правовых основ и организационно-экономической модели государственно-частного партнерства в транспортном секторе и повышение на этой основе инвестиционной привлекательности транспортной отрасли;
создания информационной базы, обеспечивающей возможность реализации методов и методик оптимального развития транспортной системы.
Цель исследования. Диссертационное исследование посвящено решению актуальной проблемы создания взаимоувязанной многоуровневой системы оптимального управления развитием полигонов сетей железнодорожного транспорта.
Достижение поставленной цели позволит повысить эффективность инвестиций и инноваций, осуществляемых в транспортную отрасль, ее привлекательность для инвесторов.
В диссертации решен ряд задач, обеспечивших достижение поставленной цели:
изучены и проанализированы существующие методы и методики решения задачи усиления мощности полигонов сети железных дорог;
разработана и внедрена в практику проектирования многоуровневая система управления развитием полигонов сети железных дорог;
разработана методика декомпозиции общей задачи управления развитием транспортной системы;
разработаны и реализованы новые подходы к распределению грузопотоков по полигонам сети дорог на различных уровнях управления;
разработана концепция и определены принципы заключения контрактов на концессионное строительство и реконструкцию железных дорог;
предложена методика оценки эффективности усиления мощности полигонов сети железных дорог на основе договоров концессий;
определен потребный объем информации, предложены методы ее сбора и обработки;
создана методика работы с базами данных на каждом уровне управления;
разработан и внедрен в соответствующие модели управления функционирования полигонов сети железных дорог алгоритм информационного обмена.
Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа теории графов, декомпозиции, математического и сетевого моделирования, теории вероятностей и математической статистики, статистического моделирования, линейного и динамического программирования.
Применены современные информационные и компьютерные технологии, методы экономической оценки инвестиционной эффективности проектных решений и обоснования инвестиций.
Научная новизна. Сформулированы и обоснованы критерии и методы декомпозиции общей транспортной сети и сети железных дорог на полигоны на каждом уровне решения задач управления развитием.
Разработана система взаимоувязанных экономико-математических моделей оптимизации процесса развития полигонов сети железных дорог на разных уровнях управления.
Разработаны методы оптимизации решения конкретных задач реализации проектных решений.
Сформулированы основные принципы подготовки концессионных договоров и методы обоснования их экономической эффективности.
Предложены принципы работы с базами данных о состоянии сети.
Создана методология многоуровневой системы управления развитием полигонов сети железных дорог в районах со сложившейся опорной сетью.
Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в создании и внедрении в практику проектирования комплекса взаимоувязанных методов и методик решения задач перспективного, текущего и оперативного управления развитием полигонов сети железных дорог в режиме реального времени, позволяющего моделировать и учитывать изменения экономической ситуации; разработке рациональных способов моделирования и описания транспортных сетей, схем транспортно-экономических связей и этапов увеличения мощности отдельных участков, объектов, элементов; создании информационной базы текущего состояния сети, принципов ее структурирования и работы с ней; обосновании критериев оценки управляющих воздействий; формировании основных принципов подготовки концессионных контрактов, повышающих инвестиционную привлекательность транспортной отрасли, создании методологических основ оптимизации управления функционированием полигонов сети железнодорожного транспорта.
Достоверность основных положений методологии многоуровневой системы управления техническим состоянием полигонов железных дорог подтверждена теоретическим обоснованием применяемых в моделях методов, многократными экспериментальными расчетами по разработанным в исследовании методикам, результатами внедрения системы в целом и ее составляющих в практику проектирования.
Декомпозицию общей задачи управления функционированием транспортных систем можно представить следующим образом.
По размерности:
деление единой транспортной системы (ETC) по видам транспорта с учетом рациональных сфер использования;
деление сети того или иного вида транспорта на полигоны,, направления, участки, объекты и элементы.
По временным уровням планирования (проектирования):
- перспективное;
текущее;
оперативное.
В рассматриваемой ситуации, иерархия этапов регионально-транспортных исследований может быть представлена следующим образом.
На первом этапе выполняется анализ транспортной системы, производства и производственных отношений района исследования с целью разработки и уточнения схемы транспортно-экономических связей региона, определения уровней технического состояния и загрузки отдельных направлений и участков полигона сети при базисном распределении грузовых и пассажирских потоков.
На основе исходной информации, полученной в результате анализа, производится обоснованное распределение грузо- и пассажиропотоков между видами транспорта, а также потоков смешанных перевозок, установление границ регионально-транспортной системы, принимаемой для дальнейшего исследования с целью выработки наиболее рациональных решений по ее функционированию.
Следует отметить, что расчетный полигон, соответствуя сложившимся транспортно-экономическим связям, должен быть такого размера и, следовательно, такой степени адекватности с моделью, которые позволяли бы выполнить конкретный технико-экономический анализ решения задачи, поставленной на следующем этапе регионально-транспортных исследований - выявление стратегии функционирования (перспективное планирование).
Далее на основе информации, полученной на первом этапе, производится решение задачи выбора рациональной стратегии функционирования полигона транспортной системы региона исследования во времени и пространстве, т.е. выявление способов удовлетворения потребностей в перевозках, обеспечивающих максимальную доходность.
Следует отметить, что степень адекватности моделей реальной региональной транспортной сети при исследовании на данном этапе такова (и это обуславливается как целями, так и размерами полигона), что получить конкретные техно-рабочие рекомендации не представляется возмож-
ю
\
ным. Результатом исследования на этом шаге является выдача общих (концептуальных) решений по усилению полигона сети.
Анализ принципиальных решений, полученных на этапе перспективного планирования, позволяет далее конкретизировать задачу и решать ее для полигона меньшей размерности, например, для направления, как задачу усиления мощности параллельных ходов, или в пределах транспортных коридоров.
На следующем этапе регионально-транспортного исследования выполняется разработка проектных решений и рекомендаций по развитию (реконструкции) и модернизации отдельных участков и объектов с учетом повышения эффективности использования существующих мощностей (уровень текущего планирования).
На уровне оперативного планирования решаются конкретные вопросы организации производства работ, комплексной механизации строительных работ и т.п.
Ниже, на рис.В.1, представлена принципиальная трехуровневая система управления развитием полигонов транспортных сетей.
Реализация и апробация работы. Основные проблемы диссертационного исследования разрабатывались и реализовывались при выполнении НИОКР:
- по заданиям ГКНТ СССР:
«Развитие транспортно-экономических связей Дальнего Востока и Сибири с районами Урала, Казахстана и Европейской части страны» (пост. ГКНТ №38 и пр. МПС 010-Д-80 №49Ц. - 1979; №3911, - 1980); «Разработка и обоснование предложений по комплексному развитию железнодорожной сети в Северо-Западном регионе Европейской части СССР» (Пост. ГКНТ № 38, пр. МПС № 39Ц. - 1981);
- по отраслевым научно-техническим программам МПС:
«Определение возможного полигона повышения скоростей движе
ния поездов с установлением целесообразной этапности реконструкции
линий до 1980 г.» (пр. МПС П-90 №1Ц. - 1971); «Разработка комплекса
мероприятий по повышению скоростей движения поездов на сети желез
ных дорог» (пр. МПС 020-Д №42Ц. - 1971; №44Ц. - 1972; №34Ц. -1974;
Рис. В.1 Структурно-логическая схема системы управления техническим состоянием полигона транспортной сети
№37Ц.-1975); «Разработка и обоснование предложений по комплексному развитию, увеличению пропускной и провозной способности отдельных железнодорожных направлений при минимальных капиталовложениях» (пр. МПС №36Ц. Т. 28.10.27.82.0000, - 1983 - 1987); «ЦКП скоростного движения пассажирских поездов на основных направлениях сети ж.д. СССР на период до 1990 г. «Прогресс»» (пост. ЦК КПСС и СМ СССР от 29.05.86 и ук. МПС № 750У от 02.07.85 г.); «Транспортная система СССР. Анализ и рационализация транспортно-экономических связей Москва -Ленинград» (ОНТП 0.54.010. Ук. МПС №7912У. - 1985-86 гг); «Этапность усиления провозной и пропускной способности железнодорожных подходов к порту Клайпеда» (пр. МПС №25ЦЗ -1989);
- по заданиям железных дорог Северо-Западного региона и Прибал
тики:
«Усиление железнодорожного направления Мга - Савелово для увеличения пропускной способности в связи с передачей части грузового движения с главного хода» (заказ Октябрьской ж.д., тема № 81. - 1976; №465. - 1977); «Разработка мероприятий, обеспечивающих ежегодное увеличение среднего веса грузовых поездов на железных дорогах сети» (ЦКП МПС «Вес», заказы Северной и Прибалтийской железных дорог. -1987 - 90 гг); «Исследование рационального уровня загрузки железнодорожного направления Москва - Ленинград» (заказ Октябрьской ж.д. тема №77 - 1988); «Этапность усиления полигона Прибалтийской ж.д. в связи с развитием сланцевого бассейна» (заказ Прибалтийской ж.д. ЕКП-88, тема №76. - 1989); «Эффективность использования производственного потенциала железнодорожных направлений» (по заказам Октябрьской, Прибалтийской и Калининградской ж.д., - 1989 - 1998); «Технико-экономическое обоснование усиления железнодорожных подходов к портам Лужской губы» (заказ Октябрьской ж.д., тема №68 - 1994-1998);
- по заказам других организаций при разработке и реализации про
ектов:
«Научное сопровождение проекта реконструкции участка Таллинн -Нарва Эстонской ж.д.» (заказ консорциума «Khene - Fast», тема №262/12-97. - 1997-98гг.); «Инженерное обследование, изыскания и проектирова-
ниє реконструкции полигона сети железных дорог космодрома «Байконур»» (Дог.№762-ЗЗ.КТ/2002. Заказчик - Росавиакосмос. 2002); «Разработка рекомендаций по развитию полигона сети железных дорог в направлении Санкт-Петербург - Выборг - госграница в связи с введением скоростного движения и строительством портов Приморск и Высоцк» (Дог.№765-2004. Заказчик - АО «Ленгипротранс» - 2004 г.)
Выполненные исследования и разработанные на их основе рекомендации позволили оптимизировать инвестиции в развитие отдельных полигонов сети железных дорог Северо-Запада, Прибалтики и других регионов за счет рационального распределения грузопотоков и выбора оптимальных схем усиления их мощности.
Основные положения и результаты исследований докладывались и были одобрены:
на технических советах Октябрьской, Северной и Прибалтийской железных дорог (1974 - 1990);
на координационном совете ВУЗов МПС по проблемам «Прогресс -Ускорение» (Москва, 1985 - 1994 гг.);
на Всесоюзных конференциях ЛО ИИЕТ (Ленинград, АН СССР, 1970-71,1986);
на Межвузовской конференции «Проблемы совершенствования технологии перевозочного процесса на железнодорожном транспорте» (Ленинград, 1979);
на Международной конференции по проблемам повышения эффективности работы транспорта (г. Щецин, Польша, 1991);
на научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии и технические средства на Октябрьской железной дороге» (Санкт-Петербург, 1999);
на 4-й межвузовской научно-методической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Москва, РГОТУПС, 1999);
на 42-й научно-технической конференции «Современные проблемы и прогрессивные технологии на Октябрьской железной дороге» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 1999);
на IV-й международной конференции «Новые технологии на промышленном и городском транспорте» (Санкт-Петербург, 2000);
на Всероссийской научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования - транспорту» (Екатеринбург, Ур-ГУПС - 2000);
на 3-й и 4-й научно-практических конференциях «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Москва, МГУПС, 2000, 2001);
на 3-й научно-практической международной конференции «Современные проблемы экономики и управления на железнодорожном транспорте» (Москва, МГУПС, 2001);
на научно-технической конференции с международным участием «Исследования и разработка ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте» (Самара, СГАПС, 2001);
на научно-методической конференции «Проблемы оценки эффективности инвестиций и инноваций на железнодорожном транспорте» (Санкт-Петербург, 2001);
на 5-й международной конференции по проблемам транспорта (Вильнюс, 2001);
на научно-практической конференции «Железнодорожный транспорт. Итоги и перспективы развития» (Новосибирск, СГУПС, 2002);
на коллегии «Росавиакосмоса» (г. Байконур, 2002);
на международной конференции «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных объектов» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 2002);
на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Екатеринбург, УрГУПС, 2003).
Основные положения диссертации опубликованы в 48 печатных работах, в том числе в учебнике.
Диссертация является результатом многолетних исследований, выполненных в научно-исследовательской лаборатории кафедры «Изыска-
ния и проектирование железных дорог» ПГУПС (ЛИИЖТ) лично автором или под его непосредственным руководством. На защиту выносятся:
методологические основы и методы решения проблем управления развитием полигонов сети железных дорог на перспективу;
теоретическое обоснование и методика решения задачи управления функционированием полигонов сети при текущем планировании;
методы оптимальной реализации проектных решений при оперативном планировании развития сети, ее отдельных участков и элементов;
методика сбора и обработки информации о техническом состоянии полигонов, направлений, участков и объектов железнодорожного транспорта, объемах перевозок на перспективу;
принципы обоснования размеров расчетных полигонов в зависимости от уровня управления развитием сети;
принципы подготовки контрактов и обоснования эффективности государственно-частного партнерства в области строительства и эксплуатации железных дорог на основе концессий.
Краткий обзор теории и практики формирования и развития транспортных сетей
Анализ существующих методов выбора рациональных вариантов развития полигонов транспортной сети для овладения растущими во времени грузо- и пассажиропотоками показал, что для решения задачи используется, в основном, метод последовательных приближений. Общую схему решения можно представить следующим образом: - находится оптимальный вариант распределения грузопотоков по неизменной транспортной сети с учетом ограничения пропускной способности; - производится анализ полученного распределения, выявление "узких" мест на полигоне сети и назначение вариантов усиления отдельных звеньев; - выбор наилучшей комбинации мероприятий по развитию сети; - распределение грузопотоков по вновь сформированной сети путей сообщения. Изложенная схема решения приводит, за конечное число итераций, к оптимальному или близкому к нему варианту развития полигона сети с учетом наивыгоднейшего распределения грузопотоков. Таким образом, в общей задаче построения оптимальной транспортной сети можно выделить две составляющие ее части: 1) определение оптимального плана распределения грузопотоков по сети, конфигурация которой и техническая вооруженность отдельных элементов предполагаются неизменными, т.е. задача решается в статике для некоторого расчетного года t\ 2) выбор рационального варианта развития полигона сети путей сообщения при оптимальном распределении грузопотоков по сети на каждый расчетный момент времени. Проанализируем имеющиеся методы решения каждой части задачи развития полигонов сети в отдельности.
Разработке методов распределения грузопотоков по сети посвящено значительное число работ. В 1930 году А.Н. Толстым [54] впервые была решена задача минимального пробега груза так называемым «методом разниц», построенным на учете разниц расстояний от пунктов производства до пунктов потребления. Наряду с минимизацией суммарной величины пробега в этой работе рассматривалась возможность использования в качестве критерия оптимизации себестоимости перевозки грузов. По существу, в этой работе была впервые решена транспортная задача линейного программирования. Однако А.Н. Толстой не дал достаточно четкого и общего математического обоснования предложенного метода. Кроме того, не принималось в расчет условие ограниченности пропускной способности отдельных звеньев сети.
Дальнейшее развитие методики распределения грузопотоков на полигоне сети путей сообщения с помощью линейного программирования получили в работах Е.П. Нестерова [69,82], А.Л. Лурье [60], Н.И. Мокро-усовой [70, 84], А.И. Арсенова [102], Г.Н. Ковшова [82, 83] и других ученых. Исследования шли, в основном, по пути разработки различных вычислительных алгоритмов решения задачи, учитывающих реальную ситуацию, сложившуюся на полигонах транспортной сети.
В работах Н.И. Мокроусовой и Е.П. Нестерова приводятся алгоритмы, реализующие известное условие оптимальности для звеньев, полностью исчерпавших пропускную способность, детально разработан метод увязки планов перевозок различных грузов между собой. Использование предлагаемых алгоритмов позволяет получить строго оптимальное (с учетом принятого допущения о линейности функции цели) решение. Однако, как показала практика, применение точных методов решения задачи распределения грузопотоков ограничено из-за большой трудоемкости.
Кроме того, известно [87], что в некоторых случаях использование метода "прокатных оценок" вообще не приводит ни к какому решению, так как происходит "зацикливание" расчета, или "вырождение" задачи.
В работах А.И. Арсенова и Г.Н. Ковшова предлагается использовать для решения поставленной задачи метод выключения перегруженных звеньев, заключающийся в том, что звенья полностью исчерпавшие свою пропускную способность по мере последовательного наложения грузопотоков исключаются из дальнейшего рассмотрения и наложение нераспределенных потоков производится уже по измененной сети. Недостатком предлагаемого метода является то, что в некоторых случаях решение вообще нельзя довести до конца. Это может быть, например, в случае, когда предъявляемый поток по техническим причинам невозможно пропустить по заданной сети. Кроме того, если даже поток и распределен, нет никакой гарантии, что полученный вариант является наилучшим, так как большое значение имеет очередность наложения отдельных корреспонденции на звенья сети. Очевидно, что для получения оптимального решения необходимо было бы просмотреть все возможные варианты очередности наложения корреспонденции, что практически невозможно для большого числа корреспондирующих пунктов, так как при этом пришлось бы осуществить перебор N! вариантов, где N- число корреспонденции. Для улучшения сходимости метода в работе [102] предлагается упорядочение процесса наложения потоков по дальности следования корреспонденции. Доказывается, что первоочередность наложения на сеть ближних корреспонденции позволяет существенно улучшить общий план распределения грузопотоков. Однако, этот прием не устраняет всех недостатков, присущих методу выключения перегруженных звеньев.
Как показали исследования, [87, 104], недостатки обоих рассмотренных методов в значительной мере устраняются при совместном их применении. При этом предлагается на первом этапе распределения грузопотоков использовать метод штрафных функций, а на заключительном этапе грузопотоки распределять по методу выключения перегруженных звеньев с учетом полученных прокатных оценок. В случае, когда получить решение методом прокатных оценок нельзя (случай зацикливания) переход к методу выключения перегруженных звеньев осуществляется на последней перед зацикливанием итерации. Значение целевой функции, получаемое при решении задачи рассматриваемым методом, отличается от оптимального, рассчитанного с помощью точного алгоритма [70, 84] не более, чем на 0,5%.
Приближенные методы решения задачи распределения перевозок по неизменяемой сети с учетом пропускных способностей звеньев, основанные на принципе сокращения невязок приводятся также в работах Г.Н. Ковшова. Основой методов является построение по одному из известных алгоритмов [61, 68, 82,83] деревьев выгоднейших путей для каждой транс-портно-экономической связи, последовательного наложения на них корреспонденции и выключения перегруженных звеньев, т.е. принципиально не отличается от методов, изложенных в [84, 87].
Методы линейного программирования, получившие в последнее время широкое применение при решении задач распределения грузопотоков по сети путей сообщения имеют большое преимущество перед ранее применявшимися способами определения грузонапряженности линий и маршрутов следования потоков грузов, так как позволяют находить более экономичные решения. Однако, как уже говорилось выше, обязательным условием использования этих методов является постоянство значения оценки звеньев, ее независимость от объемов перевозок. Между тем для реальных транспортных звеньев зависимость удельных расходов на перевозку от объемов перевозимых грузов в силу ряда причин носит нелинейный характер. Как известно [24, 33, 93, 108], например, формула для расчета годовых эксплуатационных затрат однопутных железнодорожных линий имеет вид:
Структура модели полигона транспортной сети
Пусть имеется п грузообрабатывающих и грузопотребляющих пунктов (1, 2, 3,..., п-\ , п) с определенными транспортно-экономическими связями (рис.2.2.). Пусть, кроме того, имеется существующая транспортная сеть рассматриваемого района и исходная схема развития (рис. 2.3.а, б), получаемая путем нанесения на схему существующих транспортных магистралей проектируемых звеньев и узлов. Удовлетворение перспективных транс-портно-экономических связей предполагается как за счет сооружения новых звеньев, так и за счет реконструкции существующих.
Назначение мероприятий по развитию отдельных элементов сети и порядок их осуществления может быть выполнен как проектировщиками (экспертным порядком), так и с помощью ЭВМ на основе графа возможных переходов (рис. 1.1). Очевидно, что вероятность выявления оптимального варианта развития сетей путей сообщения тем больше, чем больше число намеченных мероприятий по развитию существующих и строительству новых элементов сети. Однако при этом значительно возрастают трудозатраты при решении поставленной задачи, поэтому в исходные комплексы мероприятий по развитию элементов сети следует включать лишь те, которые могут оказать влияние на формирование рационального варианта развития сети.
Из сказанного ясно, что вопрос о способе назначения мероприятий по развитию отдельных элементов транспортной сети является весьма существенным. Для решения этого вопроса, на наш взгляд, могут быть использованы методические указания и результаты исследований по определению оптимальных схем развития отдельных транспортных линий [29 -34, 37, 41].
Подробно способ назначения комплекса мероприятий по развитию элементов сети, разработанный для целей настоящего исследования, изложен в последующих главах. Таким образом, первым этапом определения рационального варианта развития транспортной сети является назначение мероприятий удовлетворения заданных транспортно-экономических связей.
Порядковый номер СВЯЗИ Mk 1 2 3 К тк-\ тк Если начать удовлетворять транспортно-экономические связи последовательно от первой связи до т#-й, то после удовлетворения последней связи получим некоторой вариант развития транспортной сети. Однако, этот вариант сети не будет случайным, так как последовательность удовлетворения связей определена. При обеспечении же случайной последовательности удовлетворения транспортно-экономических связей очередной вариант развития сети будет носить стохастический (случайный) характер.
В соответствии с приведенной в предыдущих разделах постановкой задачи и анализом структуры модели развития полигона транспортной сети, задача выбора оптимального варианта функционирования (развития) полигона сети путей сообщения может быть сформулирована следующим образом.
Симметричный граф G\(N,U)o, отображающий полигон сети путей сообщения, соответствующий начальному году горизонта расчета to, определяемый множеством {NJQ пунктов щг і 1,2, ..., z/ і є N я множеством {U}Q -путей сообщения между ними, (г, y)t/ , если между пунктами / и у существует транспортная связь. Каждое ребро графа G\(N,U)Q характеризуется длиной Ly и уровне нем технического состояния «г/) определяющим возможную пропускную и провозную способность участка (/, j). Сразу оговоримся, что для общности отображения и удобства работы с графом каждый узел - станция с грузовыми операциями представляется в виде плоского или пространственного графа, связи между которыми характеризуются их перерабатывающей способностью. Граф плоский в случае одновидового узла и пространственный - если в узле возможна передача с одного вида транспорта на другие [183]. В общем случае в процессе исследования в модель сети путей сообщения допускается вводить в любой точке (р , р Є N Z N новые узлы.
Общий алгоритм решения задачи усиления транспортной сети железнодорожного направления
Как отмечалось в главе 2, возможны два способа решения задачи оптимального развития транспортной сети. Первый вариант заключается в переборе различных вариантов распределения перевозок. При этом, для каждого варианта устанавливаются оптимальная техническая вооруженность звеньев. Второй вариант заключается в переборе состояний технической вооруженности с нахождением оптимального распределения перевозок.
С одной стороны, при управлении железнодорожным полигоном большую роль играет решение задачи минимизации убытков (разности между тоннокилометровой работой и тоннокилометровой продукцией).
Очевидно, что при наличии нескольких параллельных ходов в полигоне, при условии, что пропускная способность главного хода будет заполнена, часть грузопотока пойдёт не по нему, а по кружному ходу. Это означает, что затраты перевозчика следует рассчитывать по величине тоннокилометровой работы, в то время как выручка от эксплуатации железной дороги рассчитывается по величине тоннокилометровой продукции. Итак, первой причиной является необходимость уменьшения разности между тоннокилометровой работой и продукцией.
Второй причиной является то, что всегда имеет место ограниченность ресурсов, а значит и ограниченность возможности усиления технического состояния. По нашему мнению, лицо принимающее решение (ЛПР) должно активно влиять на выбор технического состояния участков.
Кроме того, необходимо подчеркнуть, что в условиях конкуренции различных видов транспорта необходимо повышать конкурентоспособность железнодорожных перевозок и их привлекательность для заказчика. С другой стороны, рыночная экономика предполагает возможность отказа от части распределяемого грузопотока и переключение его на другие, альтернативные виды транспорта, в том случае, если при существующем техническом состоянии участков и узлов сети невозможно или не выгодно перевезти всё требуемое количество грузов, а мероприятия по усилению не приведут к ожидаемому экономическому эффекту.
Все эти соображения позволили предложить следующую схему (алгоритм, модель) решения задачи развития полигона железнодорожной сети [172, 173]. На первом этапе, на основе хранящейся в базе данных информации осуществляется определение пропускных и провозных способностей, а также функций затрат по участкам и узлам полигона. Под характеристикой (длиной) дуги ij будем понимать себестоимость перевозки 1 т груза по дуге Сц. Длина пути - есть суммарная себестоимость перевозки груза из а в Ь: Pab __ V" ijeU Длину кратчайшего пути из а в b будем обозначать с . Поток по дуге ij обозначим через Ху. Упорядоченную пару ab, состоящую из пункта отправления (источника) а и пункта назначения (стока) b будем назьгеать транспортной связью или корреспонденцией. Множество всех корреспонденции обозначим через Р.
Чтобы план потоков X нелинейной сетевой транспортной задачи был оптимален, необходимо, чтобы он был бы потенциален. Действительно, в том случае, когда грузопоток распределяется по нескольким параллельным ходам, оптимальным будет считаться такое его распределение, при котором дифференциальные стоимости, т.е. стоимости перевозки последней тонны груза на всех параллельных ходах равны между собой [103]. В противном случае, т.е. если на одной из линий себестоимость перевозки выше, чем на другой, то план не оптимален и целесообразно передать часть грузопотока на параллельную линию, тем самым уменьшив общие затраты на перевозки.
Необходимость получения на данном этапе конкретных проектных решений и их экономических оценок, требует использования более точных методов определения таких характеристик, заносимых в базу данных, как наличная пропускная и провозная способность, методика расчета эксплуатационных расходов и т.д. С другой стороны, достаточно малая размерность полигона позволяет использовать для оптимизационных задач точные методы и получать наилучшие решения в масштабе реального времени.
Формирование технико-экономических показателей оптимизационных задач Ш уровня
Исходные данные для решения задач оптимизации могут отбираться и классифицироваться самым различным образом. Производительность в виде показателя для сравнения различных вариантов строительных процессов может быть охарактеризована количеством операций, которое данное техническое устройство выполняет в единицу времени. Характеристикой производительности может быть и объем строительно-монтажных работ, который выполняет строительная организация в месяц, квартал, год. Стоимость является одним из самых важных показателей для экономической оценки любого варианта выполнения проекта.
Как уже говорилось выше, в основу оптимизационной системы управления строительным производством положен иерархический принцип деления всего множества задач, причем выбор наилучшего решения производится на всех уровнях. Строительная организация предполагает в течение некоторого периода времени построить и ввести в эксплуатацию несколько объектов производственной базы. Известны объем инвестиций в строительство этих объектов, а также прибыль, которую получит строительная организация в результате работы новых предприятий ее производственной базы, т.е. классический пример распределительной задачи.
Рассмотрим практический пример перспективного планирования инвестиций в развитие производственной базы строительной корпорации, предполагающей за 5 лет ввести в эксплуатацию следующие производственные мощности: шпалопропиточный завод (один); карьеры для добычи щебня (два); завод по изготовлению железобетонных шпал (три); базу по переборке рельсошпальной решетки (четыре). Известен объем инвестиций в строительство этих объектов, прибыль, которую получит организация в результате работы этих новых предприятий.
Задача заключается в том, чтобы так спланировать инвестиционные процессы на развитие производственной базы организации на расчетный срок, чтобы общая прибыль от работы производственных предприятий была бы максимальной. Таким образом, нами сформулирована задача оптимизации. Рассмотрим ее решение с помощью методов сетевого планирования. В этом случае связь между отдельными параметрами исследуемого процесса представляется в виде эквивалентного этому процессу графа или графов [221].
Прежде всего, необходимо составить модель сформулированной задачи. Для этого необходимо: - установить техническую возможность применения того или иного варианта инвестиций; - произвести расчет годового экономического эффекта от капиталовложений в то или иное предприятие производственной базы; - построить сетевую модель, топология которой отражала бы взаимосвязь различных вариантов капиталовложений в различные объекты при условии, например, обеспечения равномерного распределения капиталовложении по годам. При этом оценками дуг сетевой модели служат данные по годовому экономическому эффекту от введения того или иного объекта в строй действующих.
Дальнейшее решение этой задачи повторяет первые два этапа. На рис. 4.1 жирным выделен оптимальный путь из вершины Еі в вершину Е}Е4. Сумма оценок дуг этого пути равна 1,20 млрд. руб. Это значит, что корпорация в результате введения объектов своей производительной базы за пятилетие сможет получить экономический эффект, который составит 1,2 млрд. руб. С помощью сетевой модели легко установить сроки введения в строй действующих основных предприятий и цехов. Так, в первом году планирования необходимо закончить строительство объекта №4, на втором - объекта №1 и далее 2 и 3.
Таким образом, решение задачи оптимального планирования с помощью представленной выше модели позволило получить наиболее эффективный план капитальных вложений на развитие производственной базы с учетом равномерности распределения капиталовложений по годам планирования. Выбор оптимальной последовательности производства работ по объектам строительства Сущность данного метода оптимизации сводится к следующему. Программа производства работ некоторой строительной фирмы предписывает сооружение или ремонт нескольких (ft) объектов, причем некоторые виды работ на объектах выполняются субподрядными организациями в определенной последовательности.
Предположим, что время для выполнения строительно-монтажных работ и время монтажа и отладки оборудования на каждом из п объектов рассматриваемого комплекса известно. Обозначим время строительно-монтажных работ на объектах 1, 2, 3, ..., п через Аъ А2, А ..., Ап Аналогичным образом обозначим время работы субподрядной организации на этих объектах через В\, В2, В3,..., Вп. Далее обозначим черезхи х2, х3 ..., хп время ожидания фронта работ организации В на 1, 2, 3,..., п объектах.
В общем случае для неритмичных потоков ) ФА2 Ф А3 Ф... ФА„; В\ ФВ2Ф В Ф ... Ф Вп. Задача состоит в том, чтобы составить оптимальный график производства работ на всех п объектах комплекса, сократить простои субподрядной организации и уменьшить общее время строительства объектов.
