Содержание к диссертации
Введение
1. Концепция создания геоинформационной аналитической системы региональной сети железных дорог 20
1.1. Проблемы развития региональных сетей железных дорог. Цель и задачи исследования 20
1.2. Основные понятия и определения, принятые в диссертации 42
1.3. Анализ современного состояния и перспективы информатизации железнодорожного транспорта России 60
1.4. Разработка концепции создания геоинформационной аналитической системы региональной сети железных дорог (ГИАС РСЖД) 72
1.4.1. Цель и задачи ГИАС РСЖД 72
1.4.2. Структура и функции ГИАС РСЖД 73
1.4.3. Концептуальные принципы, предъявляемые при создании ГИАС и ее приложений 81
1.4.4. Аппаратное и программное обеспечение 85
1.4.5. Цифровые электронные карты 87
1.4.6. Цифровые классификаторы картографической информации 90
1.4.7. Информационное обеспечение ГИАС РСЖД 91
1.4.8. Базы данных и подсистема управления базами данных 95
1.4.9. Подсистема управления диалогом пользователя 96
1.4.10. Приложения ГИАС РСЖД 99
1.4.11. Основные этапы реализации концепции ГИАС РСЖД 100
1.5. Результаты и выводы 101
2. Информационная основа для моделирования развития региональной сети железных дорог 103
2.1. Пространственно-параметрическая модель региональной сети железных дорог 103
2.2. Эксплуатационно-технические характеристики, эксплуатационные и экономические показатели, критерии оценки надежности и живучести элементов РСЖД 116
2.3. Формирование расчетной модели региональной сети железных дорог 125
2.4. Информационная модель данных по объектам, сооружениям и устройствам инфраструктуры РСЖД 138
2.5. Проектирование и использование многомерных баз данных РСЖД
как средства для создания систем поддержки принятия решений 159
2.6. Автоматизированные, инструментальные и программные средства сбора и подготовки данных по объектам инфраструктуры РСЖД 167
2.7. Результаты и выводы 178
3. Геоинформационная аналитическая система региональной сети железных дорог 181
3.1. Основные положения реализации концепции ГИАС РСЖД 181
3.2. Объекты картографирования и их классификация. Классификаторы и условные обозначения в ГИАС РСЖД 183
3.3. Картографическая модель региональной сети железных дорог 189
3.4. Информационный блок ГИАС РСЖД. Интеграция картографической, графической и атрибутивной информации 200
3.5. Аналитический блок и система поддержки принятия решений в ГИАС РСЖД 212
3.5.1. Основные положения теории принятия решений в ГИАС РСЖД 212
3.5.2. Пространственный анализ в ГИАС РСЖД 220
3.5.3. Анализ облика и связности РСЖД 221
3.5.4. Отчетно-статистический и многомерный анализ в ГИАС РСЖД 239
3.5.5. Анализ надежности и живучести РСЖД 242
3.5.6. Инфлюентный анализ в ГИАС РСЖД 256
3.6. Перспективы развития ГИАС РСЖД 269
3.7. Результаты и выводы 274
4. Аналгоикомплжоіаяощнкаіігоек шмененияобликаимощносгирсжд 276
4.1. Альтернативы изменения облика и мощности РСЖД во взаимной увязке со стратегией и сценариями экономического развития региона 276
4.2. Методология формирования исходного множества альтернатив (ШЛА) изменения облика и мощности РСЖД на основе ГИАС 288
4.3. Оценка альтернатив изменения облика и мощности РСЖД по техническим критериям 299
4.4. Оценка альтернатив изменения облика и мощности РСЖД по экономическим критериям 302
4.5. Моделирование изменения облика и мощности региональной сетижелезных дорог 315
4.5.1. Постановка задачи 315
4.5.2. Объемы перевозок и динамика их изменения на элементах РСЖД 316
4.5.3. Возможные альтернативы увеличения мощности элементов РСЖД... 318
4.5.4. Критерий оценки этапного развития РСЖД 321
4.5.5. Математическая модель задачи изменения облика и мощности РСЖД 322
4.5.6. Моделирование развития элементов РСЖД при различных вариантах распределения грузовых перевозок. Исследование устойчивости схем развития элементов РСЖД при изменении динамики роста грузовых перевозок 325
4.5.7. Формирование альтернатив изменения облика и мощности РСЖД на основе применения методов оптимального проектирования 331
4.6. Формирование альтернатив по поддержанию основных фондов РСЖД в рабочем состоянии (на примере планирования ремонтов пути) 335
4.6.1. Общие положения и постановка задачи 335
4.6.2. Математическая модель задачи планирования ремонтов пути 341
4.6.3. Программное обеспечение задачи планирования ремонтов пути 346
4.6.4. Численное решение тестовых задач планирования ремонтов пути 348
4.7. Комплексная оценка альтернатив изменения облика и мощности РСЖД 354
4.8. Пример комплексной оценки альтернативы изменения облика и мощности РСЖД 358
4.9. Результаты и выводы 365
Основные выводы 368
Список использованных источников 373
- Основные понятия и определения, принятые в диссертации
- Эксплуатационно-технические характеристики, эксплуатационные и экономические показатели, критерии оценки надежности и живучести элементов РСЖД
- Объекты картографирования и их классификация. Классификаторы и условные обозначения в ГИАС РСЖД
- Методология формирования исходного множества альтернатив (ШЛА) изменения облика и мощности РСЖД на основе ГИАС
Введение к работе
Проблемы комплексного, гармоничного и сбалансированного развития Единой транспортной системы страны в увязке с плановым развитием народного хозяйства всегда были сложны и актуальны. Решением их занимались Госплан, министерства, ведомства, ведущие НИИ страны и отдельные ученые. Распад СССР, переход к рыночной экономике, отказ от централизованного текущего и долгосрочного планирования развития народного хозяйства резко осложнили прогнозирование потребностей производства и населения в перевозках, взаимодействие разных видов транспорта, нарушили сложившиеся транс-портно-экономические связи, усилили конкуренцию разных видов транспорта, дали обвальное падение объемов перевозок. Вызванный этими факторами дефицит денежных ресурсов и старение основных фондов существенно снизили надежность и стабильность работы транспортной системы и, в частности, сети железных дорог России и ее регионов.
В современных условиях решение вопросов эффективного развития и использования мощности сети железных дорог отдельных регионов диктуется спецификой экономического периода.
Государственная региональная политика претерпела существенные изменения. Значительно повысилась самостоятельность регионов в осуществлении социально-экономического развития своих территорий. Государственное вмешательство в этот процесс происходит в целях смягчения острых региональных контрастов и социальных противоречий путем разработки и реализации специальных программ развития отдельных районов.
Каждый субъект Российской Федерации самостоятельно ищет пути возрождения экономики своей территории. Без преувеличения можно констатировать, что привлечение инвестиций - одна из главнейших задач законодательных и исполнительных органов власти субъектов РФ. Разрабатываются программы инвестиционного развития территорий, принимаются региональные инвестиционные законы, предусматривающие специальные налоговые льготы для ино -6 странных инвесторов, ведется активная работа по формированию и наполнению краевых, областных залоговых фондов, решаются вопросы гарантий и другие по привлечению крупных инвестиций и кредитов.
Железные дороги, административно прикрепленные к конкретным регионам, получили отраслевую самостоятельность в вопросах привлечения клиентов с целью повышения объемов перевозок грузов и пассажиров, договорной тарифной политики, инвестиционной деятельности и пр. В то же время можно сказать, что создание жизнеспособной экономики переходного периода немыслимо без активной отраслевой и региональной политики государства, без его прямой или косвенной поддержки ключевых экономических проектов. В связи с этим, для решения жизненно важных социально-экономических проблем на отдельных территориях создаются межрегиональные ассоциации субъектов РФ.
Развитие региональной сети железных дорог зависит от природных, пространственных, социально-исторических, экономических, демографических, геополитических, экологических и прочих факторов, присущих конкретному региону РФ.
Помимо этого, Россия, в силу своего географического положения должна принимать активное участие в важнейших интермодальных программах и реконфигурации транспортных коридоров мира, что в свою очередь, синтезирует транспортные связи ее регионов. Характерным примером является Транссибирская железнодорожная магистраль. Сравним исходные расстояния на важнейших мировых интермодальных коридорах: Япония - Роттердам (через мыс Доброй Надежды) 25 тыс. км; Роттердам - Япония (через Суэцкий канал) 20 тыс. км; Роттердам - Санкт-Петербург - Транссиб - Япония 14 тыс. км. Сроки доставки грузов между европейскими и дальневосточными портами морем - 28 30 суток. Транссибирский контейнерный сервис (ТСКС) обслуживает грузовладельца за 20 + 25 дней. Увеличение объемов перевозок на Транссибирской магистрали за счет контейнерных перевозок иностранных компаний жизненно важная задача государственного масштаба, т.к. без ее решения дальнейшее снижение перевозок по Транссибу может привести к снижению занятости и ми -7-грации трудовых ресурсов из регионов Сибири и Дальнего Востока, ускоренному старению основных производственных фондов. Поэтому требуется уделить особое внимание роли Транссибирской магистрали.
Основные цели, задачи и пути решения этой проблемы определены "Концепцией государственной политики поддержки транзитных перевозок по Транссибирской магистрали" (1997 г.). Для ее реализации разработан план совместных действий министерств, ведомств и транспортных организаций "О развитии транзитных перевозок по Транссибирской магистрали".
Главной целью повышения роли Транссибирской магистрали является увеличение грузопотока международного транзита. По оценке специалистов перевозки транзитных грузов по Транссибу могут дать стране до миллиарда долларов ежегодно. Особую заинтересованность в реализации программы интермодальных перевозок с участием Транссиба проявляют Министерство путей сообщения РФ, регионы Дальнего Востока и Забайкалья (12 субъектов Федерации, общей площадью около 7 млн. км2 и населением около 10 млн.человек), страны Азиатско-Тихоокеанского региона (АТР). С точки зрения осуществления транзитных перевозок данный транспортный коридор затрагивает жизненно важные интересы всех железных дорог и регионов РФ, прилегающих к Транссибу.
В соответствии с Соглашением о партнерстве и сотрудничестве между Европейским союзом и Россией (1994 г.) разрабатывается целый ряд проектов, в том числе и в первую очередь - проекты в области транспорта. Сотрудничество в области транспорта направлено на проведение структурной перестройки и модернизации транспортной системы России, а также на формирование согласованной глобальной системы.
В этой связи в плоскость практической реализации продвинулся проект Международного интермодального коридора 21-го века Балтика - Центр - Черное море, который свяжет между собой Балтийский и Черноморско-Средиземноморский регионы, а также во взаимосвязи с другими коридорами сформирует восточную часть европейской опорной транспортной сети. Транс -8-портный коридор Балтика - Центр - Черное море пересекает Европейскую часть России в меридиональном направлении и его протяженность составляет около 2 тыс. км. Конечными Российскими пунктами транспортного коридора на Северо-западе страны являются порты Балтики: Санкт-Петербург, Выборг и в перспективе Усть-Луга, а также железнодорожные переходы между Россией и Финляндией. На Юге конечными пунктами коридора являются порты: Новороссийск, Туапсе, Ростов-на-Дону, Азов, Ейск, Темрюк. В рассматриваемом регионе, включающем 14 субъектов Федерации общей площадью 1 млн.км , проживают около 60 млн.человек. Проект транспортного коридора активно инициируется и поддерживается регионами и является привлекательным для российского и международного транспортного бизнеса и, по мнению автора, он должен быть увязан с широтным Транссибирским ходом.
Современный период характеризуется и тем, что во всех сферах деятельности, в том числе и на железнодорожном транспорте, активно идет внедрение новых информационных технологий, современных средств связи и вычислительной техники. Это открывает безграничные возможности по обеспечению единого информационного пространства для разных уровней управления, совершенствованию и созданию принципиально новых автоматизированных систем и комплексов с целью анализа результатов функционирования, повышения качества принимаемых решений при текущем и перспективном планировании.
В связи с этим вопросы, связанные с принятием решений на всех уровнях управления развитием и функционированием регионального железнодорожного транспорта, приобретают особую актуальность и государственную значимость, а перечисленные выше влияющие факторы значительно увеличивают сложность и размерность задачи развития и эффективного использования мощности сети железных дорог. Для решения задач такого класса необходимо использовать все современные средства информационных технологий, геоинформационных систем и экономико-математических моделей и методов.
Назрела насущная проблема создания геоинформационной аналитической системы (ГИАС), обеспечивающей принципиально новый способ интеграции разнообразной информации региона и инфраструктуры сети железных дорог и позволяющей моделировать различные альтернативы ее развития с учетом всех влияющих факторов и ограничений. Из вышеизложенного, можно сделать вывод, что проблема комплексного развития инфраструктуры сети железных дорог и ее облика в регионах России по своей актуальности - задача государственного масштаба, которую невозможно решать без разработки научно-обоснованной методологии, учитывающей новые экономические, информационные и технологические условия.
В рамках одной диссертационной работы невозможно рассмотреть все вопросы комплексного решения проблемы развития региональной сети железных дорог. Поэтому данная работа посвящена теории и практике проектирования развития региональных сетей железных дорог с применением новых информационных технологий, а именно, геоинформационных систем.
Цель настоящего исследования состоит в совершенствовании и дальнейшем развитии методологии формирования эффективной области альтернатив изменения облика и мощности региональной сети железных дорог на основе создания геоинформационной аналитической системы для поддержки принятия решений.
Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, математической статистики, экономической оценки эффективности проектных решений, линейного и динамического программирования, оптимального проектирования, теории графов, надежности, полезности, принятия решений.
Научная новизна. Впервые предложены и разработаны:
• концепция создания геоинформационной аналитической системы региональной сети железных дорог (РСЖД);
• информационная модель региональной сети железных дорог, отражающая всю сложность взаимосвязанных явлений и процессов, протекающих в пространстве-времени, и максимально пригодная для практического использования;
-10 • пространственно-параметрическая модель региональной сети железных дорог;
• картографическая модель региональной сети железных дорог, учитывающая топологические отношения и ресурсные связи, позволяющие интегрировать разнообразную информацию об объектах РСЖД, их эксплуатационно-технических характеристиках, эксплуатационных и экономических показателях работы, надежности и живучести;
• методология автоматизированного формирования модели расчетной структуры региональной сети железных дорог и агрегирования ее параметрической составляющей;
• модели данных и реляционные базы данных по объектам инфраструктуры региональной сети железных дорог;
• многомерные базы данных региональной сети железных дорог как средство для создания системы принятия решений;
• модель классификации основных объектов региональной сети железных дорог для картографирования и классификаторы сооружений и устройств РСЖД;
• пилотный проект геоинформационной аналитической системы региональной сети железных дорог (ГИАС РСЖД);
• математическое обеспечение, алгоритмы и приложения для принятия решений для полигона сети железных дорог при планировании ремонтов пути;
• методология формирования, комплексной оценки и отбора эффективных альтернатив изменения облика и мощности РСЖД.
Практическая ценность. Разработанные в диссертации многоуровневая пространственно-параметрическая модель региональной сети железных дорог, методология формирования эффективной области альтернатив изменения ее облика и мощности, проект геоинформационной аналитической системы железных дорог и созданные базы данных и программные средства нашли практическое применение на железных дорогах Дальневосточного региона. Полная и объективная информация по объектам и сооружениям железных дорог, нака -11 пливаемая в электронных хранилищах, может использоваться как базовый материал для проведения проектных работ по реконструкции трассы, развития станций и других железнодорожных объектов, моделирования технологических процессов. Отдельные результаты проведенных исследований использованы при обосновании предложений по комплексному развитию железнодорожной сети Приморского и Хабаровского краев, разработке схемы развития железнодорожного транспорта Дальневосточного региона, комплексной оценке плана социально-экономического развития полигона сети Дальневосточной железной дороги на период 2000 - 2005 гг.
Реализация и апробация работы.
Диссертационная работа является частью исследований, проводимых в соответствии с федеральными, отраслевыми, региональными научно-техническими программами, заказами производства.
Результаты исследований реализованы в научно-исследовательских работах, основными из которых являются следующие.
1. Разработка и обоснование предложений по комплексному развитию железнодорожной сети в Хабаровском и Приморском краях в увязке с перспективами развития морских перевозок (заказ управления ДВЖД, 1983).
2. Разработка и обоснование предложений по развитию железнодорожной сети о.Сахалин в увязке с перспективами развития морских перевозок и зоной тяготения (заказ Сахалинского отделения ДВЖД, 1985,1986).
3. Разработка предложений по этапному наращиванию мощности железнодорожной сети о.Сахалин (заказ Сахалинского отделения ДВЖД, 1987).
4. Схема развития железнодорожного транспорта Дальневосточного региона (заказ ИКШ при Госплане СССР, 1988).
5. Обоснование предложений по увеличению допускаемых скоростей движения грузовых поездов на железнодорожной сети о.Сахалин (заказ Сахалинского отделения ДВЖД, 1988).
6. Определение пропускной способности железнодорожной линии Известковая - Чегдомын в связи с удлинением приемо-отправочных путей на станциях (заказ Управления Байкало-Амурской ж.д., 1989).
7. Создание базы данных, справочника и подготовка программных средств для АРМ отдела пути Сахалинского отделения ДВЖД. (1991).
8. Функциональная подсистема АСУ-путь. Задача "Разработка и внедрение информационно-справочной системы на базе ПЭВМ в службе и дистанциях пути" (заказ Забайкальской ж.д., 1996).
9. Региональная научно-техническая программа "Дальний Восток России" (1993-1996 г., Мин.науки, высшая школа и тех.политика РФ). Раздел 7. Транспорт и связь. Программа 7.13,1993-1996 г.
10. Разработка программно-технического комплекса управления и планирования путевым хозяйством (заказ Забайкальской ж.д., 1997).
11. Автоматизация ведения проектной, нормативной и первичной документации учета и отчетности дистанций пути Забайкальской железной дороги (1997).
12. Разработка комплексной автоматизированной системы поиска эффективных альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог в регионе. Часть 1. Методология отыскания эффективной области альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог (заказ МПС РФ, 1997).
13. Разработка и внедрение ГИАС (географической информационно аналитической системы) Забайкальской железной дороги (1 этап ГИАС службы
пути,1998).
14. Автоматизированное рабочее место технического отдела службы пути (заказ управления Забайкальской железной дороги, 1998).
15. Разработка комплексной автоматизированной системы поиска эффективных альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог в регионе. Часть 2. Формирование эффективной области альтернатив развития мощности и структуры сети железных дорог Дальневосточного региона в условиях рыночных отношений (заказ МПС РФ, 1998).
16. Разработка автоматизированной системы компьютерного технико экономического анализа плана Забайкальской железной дороги с отрисовкои на плоттере подробного продольного профиля и схем станций для ТРА (заказ За байкальской железной дороги, 1999).
17. Создание системы баз данных по управлению инфраструктурой железной дороги (СБД-И) (заказ ВНИИАС МПС РФ, 1999).
18. Создание геоинформационной аналитической системы (ГИАС) для решения проблемы развития сети железных дорог (заказ департамента технической политики МПС РФ, 1999). -13
19. Создание геоинформационной аналитической системы (ГИАС) для решения проблем развития сети железных дорог региона (заказ департамента технической политики МПС РФ, 2000).
20. Планирование, модернизация и развитие мощности и структуры желез ных дорог на основе геоинформационной аналитической системы (заказ депар тамента технической политики МПС РФ, 2000). Внедрение результатов исследований: 1. На Забайкальской железной дороге в службе и двадцати одной дистанции пути установлены и эксплуатируются "АРМ ТО" (авторы: В.С.Шварцфельд, О.П.Колбаскин, В.Г.Науменко), "Геоинформационная аналитическая система (ГИАС) путевого хозяйства" (авторы: В.С.Шварцфельд, О.П.Колбаскин), зада чи автоматизированного планирования ремонтов пути (авторы: В.С.Шварцфельд, А.В.Кобозев), определения допускаемых скоростей движения поездов (авторы: В.С.Шварцфельд, А.Р.Едигарян), автоматизации ведения про ектной, нормативной и первичной документации учета и отчетности (авторы: В.С.Шварцфельд, О.П.Колбаскин, В.Г.Науменко), автоматизированное рабочее место работников технических отделов службы и дистанции пути (авторы: В.С.Шварцфельд, О.П.Колбаскин, В.Г.Науменко); в службе перевозок: элек тронный паспорт станций (авторы: В.СШварцфельд, О.П.Колбаскин). 2. В ДВГУПС, проектно-изыскательском институте "Дальжелдорпроект", геобазе ДВЖД при проведении работ по проверке плана, продольного профиля и съемке ж.-д. станций и узлов используется комплекс программ для получения электронных паспортов плана и профиля ж.д. пути и планов станций и профилей станционных путей (авторы: Шварцфельд B.C., Колбаскин О.П.), совместимый с "АРМ ТО" и "ГИАС путевого хозяйства".
3. В учебном процессе кафедры "Инженерные изыскания и геодезия" ДВГУПС используются отдельные результаты исследований автора по дисциплинам "Системы управления базами данных", "Математические модели и методы в расчетах на ЭВМ", "Математические модели и методы развития транспортной сети", "АСУ путевого хозяйства", "Изыскания и проектирование железных дорог", "Информационные технологии в изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации железных дорог", "Геоинформационные системы и технологии", а также при проведении дипломного проектирования.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XXXII научно-технической конференции ХабИИЖТа (Хабаровск, 1981), отраслевой научно-исследовательской конференции (Москва, 1983), IV-й всесоюзной научно-практической конференции по проблемам хозяйственного освоения зоны БАМ (Владивосток, 1986), 1-й научно-практической конференции кафедр факультета "Строительство железных дорог", предприятий транспортного строительства и транспортных ВУЗов (Москва, 1988), XXXVI научно-технической конференции ХабИИЖТа (Хабаровск, 1989), научно-методической конференции кафедр ХабИИЖТа (Хабаровск, 1990), научно-технической конференции "Транссиб и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте" (Новосибирск, 1991), XXXVII научно-технической конференции ХабИИЖТа (Хабаровск, 1991), Всероссийской научно практической конференции "Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта в новых условиях развития Дальневосточного региона" (Хабаровск, 1993), научно-технической конференции по проблеме "Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Дальневосточного региона" (Хабаровск, 1995), Региональной научно-технической конференции по МРНТП "Дальний Восток России" (Хабаровск, 1995), научно-технических конференциях "Комплексные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог в условиях Крайнего Севера" (Хабаровск, 1997), "Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего Востока" (Хабаровск, 1997), "Актуальные проблемы развития научно-технического прогресса в отрасли и на дорогах региона" (Хабаровск, 1997), научно-практическом семинаре "Новые информационные технологии в управлении на транспорте и в организации учебного процесса" (Хабаровск, 1997), 2-й международной научно-технической конференции "Проблемы транспорта Дальнего Востока" (Владивосток, 1997), Международной научно-практической конференции "Информационные технологии на железнодорожном транспорте" (Хабаровск, 1998), 41-й научно-технической конференции ДВГУПС "Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего Востока" (Хабаровск, 1999); на НТС Сахалинской ж.д. (1986 - 1988), Забайкальской ж.д. (1991 - 1994,1997 - 1999), Байкало-Амурской ж.д. (1994), сетевых семинарах "Применение автоматизированных систем и вычислительной техники в пу -15-тевом хозяйстве" (Москва, 1992,1993,1994,1995,1996; Самара, 1997; Ярославль, 1998; Екатеринбург, 1999; Димитровград, 2000), на заседаниях координационного совета МПС РФ по научно-методическому обеспечению разработок АСУ в путевом хозяйстве (Москва,1994,1996,1998,1999; Саратов, 1995; Самара, 1997; Ярославль, 1998; Екатеринбург, 1999), заседаниях кафедры "Инженерные изыскания и геодезия" ДВГУПС (1985-2000), на научно-методических семинарах Института транспортного строительства ДВГУПС (1995,1997,2000), заседаниях кафедр "Изыскания и проектирование ж.д." МГУПС (1998,2000) и ПГУПС (1998), на научно-методическом совете ВУЗов МПС (Самара, 1999), ГВЦ МПС РФ (Москва, 1999), на 3-м международном конгрессе молодых ученых (Владивосток, 1999), на научно-технических конференциях: "Актуальные проблемы Транссиба на рубеже веков" (Чита, 2000), "Актуальные проблемы строительства и эксплуатации железнодорожного пути и сооружений" (Екатеринбург, 2000).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 52 печатных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка использованных источников. Общий объем составляет 400 страниц, в том числе 86 рисунков и 39 таблиц. Список литературы содержит 319 наименований на 28 страницах.
Большое влияние на взгляды автора, изложенные в диссертации, оказали многочисленные теоретические труды, посвященные моделированию развития транспортных сетей. К таким трудам, в первую очередь, относятся работы В.Н.Лившица [143,146,147,148,204], И.Т.Козлова [1, 120], С.М.Гончарука [82], А.М.Макарочкина [153,154], Ю.В.Дьякова [89,154].
При разработке концептуальных положений создания геоинформационной системы региональных железных дорог большое влияние оказали труды: А.М.Берлянда [28], МИ.ДеМерса [316], Н.В.Коноваловой и Е.Г.Капралова [127], А.В.Кошкарева и В.С.Тикунова [29], Г.С.Переселенкова [179], В.АЛозина и В.Г.Кондратьева [131], С.И.Матвеева [158], А.ЛРевзона [204], С.Н.Сербенюка [207], В.Я.Цветкова [261], А.АДернанта [262] и других ученых.
Методы анализа железнодорожных сетей, положенные в основу аналитиче -16 ского блока геоинформационной аналитической системы, базируются на работах по теории графов и анализу сетей отечественных и зарубежных ученых: Б.Ю.Левита и В.Н.Лившина [143], В.А.Паршикова [172], О.Оре [171], П.Л.Стенбринка [224], Д.Р.Форда и Д.Р.Фалкерсона [257], Д.Филлипса и А.Гарсиа-Диас [258].
Используемые и развитые в диссертации многоуровневые модели "полигон сети железных дорог" и "региональная сеть железных дорог" базируются на работах А.В.Гавриленкова [63], С.М.Гончарука [82], Ю.В.Дьякова [89], И.Т.Козлова [120], В.Н.Лившица [148], А.М.Макарочкина [154].
Методы анализа надежности и живучести региональной сети железных дорог основываются на трудах И.А.Ушакова [251], Р.Барлоу и Ф.Прошана [20, 21], А.А.Червоного, В.И.Лукьященко, Л.В.Котина [265].
Методы решения многокритериальных задач, используемые в работе для обоснования планирования ремонтных работ, базируются на трудах Т.Р.Брахмана [40], В.П.Волковича [61], Р.И.Трухаева [241,242].
В основу методов выбора и принятия решений развития региональной сети железных дорог, положены работы Д.И.Батищева [23], И.М.Макарова [228], Р.Г.Стронгина [225], Э.А.Трахтенгерца [240], В.К.Чичинадзе [226].
Источниками многих замыслов и концепций, нашедших отражение и развитых в диссертации, послужили идеи, модели, методы и алгоритмы, созданные в последние годы представителями различных научных школ и направлений. Приведем основные работы по главным направлениям транспортных исследований, используемые в данной диссертации.
Методы выбора комплекса технических параметров для проектирования новых и реконструкции существующих железнодорожных линий раскрыты в работах: ЮА.Быкова [49], Н.С.Бушуева [46], А.В.Горинова [83,84,161], Б.И.Гороховцева [85], Ю.В.Дьякова [88,89], А.И.Иоаннисяна [101], И.И.Кантора [83,104], Б.С.Козина [114,115], И.Т.Козлова [114,120], А.П.Кондратченко [83,129,130,161], А.М.Макарочкина [153,154], И.В.Турбина [83,130,161, 243, 247], Г.И.Черномордика [303]. -17-Методам и разработке автоматизированных систем проектирования трассы железных дорог посвящены труды: Г.Л.Аккермана [9], В.А.Анисимова [16], А.И.Богданова [33,35], В.А.Бучкина [44], В.П.Житкевича [95], И.И.Кантора [104], И.П.Корженевича [134], Ю.К.Полосина [192], А.С.Понарина [193], А.И.Скутина [221,222], В.И.Струченкова [227], И.В.Турбина [245] и других ученых. Проблемы пропускной способности рассматривали: Е.В.Архангельский [202], А.М.Баранов [155], Ю.В.Дьяков [89, 154], А.В.Гавриленков [70], Г.Г.Иванов [96], В.Е.Козлов [117,118], И.Т.Козлов [120], А.М.Макарочкин [153, 154], Б.М.Максимович [155], В.А.Сокович [217], Э.Д.Фельдман [155], А.Д.Чернюгов [305]. Взаимодействие железных дорог с окружающей средой рассматривалось в трудах: Г.Л.Аккермана [8,9], Б.А.Волкова [55,56], ВЛЕвграфова [90,91], ЭЛ.Исаенко [102], О.В.Калинцева [103], В.А.Копыленко [133], А.М.Козлова [116], В.В.Космина [116], Л.В.Кисилевой (Лукашук) [152], Г.СПереселенкова [93], Е.А.Румянцева [206], Б.И.Солодовникова [80], Е.А.Макушкиной [156], В.СМиронова [156], И.Д.Ткачевского [239], А.А.Цернанта [262] и др. Системному анализу в транспортных процессах посвящены труды: Г.Н.Ковшова [111], Г.СПереселенкова [180], С.П.Першина [184], А.С.Понарина [193], В.Н.Лившица [121,146,148], Е.П.Нестерова [111]; моделированию транспортных потоков: В.И.Арсенова [18], А.П.Батурина [25, 26], В.Г.Галабурды [71], А.Е.Гибшмана [72], И.Т.Козлова [120, 121], В.В.Космина [121], Д.Ю.Левина [142], Э.И.Позамантира [146], Н.В.Правдина, В.Я.Негрея [173, 174], Е.П.Нестерова [111,163]; проблемам скоростного движения: А.В.Гавриленкова [67], ФЛ.Кочнева [137], С.С. Жаброва [67], В.Ю.Козлова [119], Е.С.Свинцова [212], Е.А.Сотникова [218], Е.В.Шиваревой [296], Г.И.Черномордика [304] и многих других. Математические модели и методы в транспортных процессах рассматривались в трудах: В.М.Акулиничева [11], Г.Н.Жинкина [94], В.Я.Негрея [173], Н.В.Правдина [173, 174], СЯ.Луцкого [94], С.П.Першина -18-[183], В.П.Шурыгина [295], Э.С.Спиридонова [94], И.Д.Ткачевского [239]; в экономических процессах: В.И.Арсенова [19], И.В.Белова [30,31], А.И.Болотина [37], В.А.Галабурды [71], А.Е.Гибшман [74], Б.А.Волкова [55,56,57,58,59,60], Г.Н.Жинкина [94], А.Б.Каплана [105], В.Н.Лившица [74,121,146,148,150,170], АМ.Макарочкина [105], А.Д.Шишкова [298] и многих других. И, наконец, вопросам развития транспортных сетей посвящены труды: В.А.Ардашина [17], В.КАрсенова [18], А.П.Батурина [24,25,26], Е.М.Васильевой [50,51], Б.А.Волкова [208], В.АГавриленкова [62,68,69], СМТончарука [75,80,82], АБ.Горинова [84], Ю.АГригоряна [86], АЕГибшмана [72], В.Н.Лившица [50,51,143,144,145,146,147,148], Г.П.Кобылковского [140], Г.В.Ковшова [110,112], И.Т.Козлова [17,120,121], С.Б.Козловой [122, 123], Ю.Д.Кузнецова [140], Б.Ю.Левита [50,143], Б.СМалышева [157], Е.П.Нестерова [111,163], В.А.Паршикова [172], Г.СПереселенкова [177, 178, 179], С.ПЛершина [183,184], В.А.Персианова [182], Ф.СПехтерева [186], М.М.Протодьяконова [197], В.И.Петрова [185], Н.К.Раздобудько [199], Е.С.Свинцова [209,210,212], Б.И.Солодовникова [80], В.Л.Станиславюка [223], Ю.Ф.Шишкова [299], С.А.Фадеева [252,253], Е.А.Шиваревой [296,297] и многих других исследователей. Следует отметить значительный вклад в теорию принятия решений проектных и научно-исследовательских институтов: ВНИИЖТа, Гипротранстэи МПС, Промтрансниипроекта, Мосжелдорпроекта, ЦНИИСа, ИКТП при Госплане СССР и многих других проектных и научно-исследовательских институтов, университетов и академий отрасли.
Огромное влияние на создаваемые автором автоматизированные системы и автоматизированные рабочие места оказали дискуссии на отраслевом координационном совете по научно-методическому обеспечению разработок автоматизированных систем в путевом хозяйстве и личное общение с д.т.н. В.О. Певз-нером (ВНИИЖТ), д.т.н. В.М.ФИЛИППОВЫМ (ВНИИАС ЖТ МПС), д.т.н. В.Б.Бредюком (СГУПС), д.т.н. В.В.Рыбкиным (ДИИТ), к.т.н. САБокаревым (СГУПС), к.т.н. Б.И.Гончаровым (ВНИИЖТ), зав.лабораторией ВНИИАС ЖТ.
Неоценимую помощь при внедрении и отладке программного обеспечения оказали сотрудники кафедры "Инженерные изыскания и геодезия" ДВГУПС, геобазы Дальневосточной ж.д., института "Дальжелдорпроект", работники технических отделов двадцати одной дистанции пути Забайкальской железной дороги.
Автор признателен канд. физ.-мат. наук А.В.Кобозеву (ВЦ ДВО РАН) за совместную работу над математическим обеспечением задачи формирования альтернатив планирования ремонтов пути.
На защиту выносятся:
? Концепция создания геоинформационной аналитической системы региональной сети железных дорог (ГИАС РСЖД).
? Информационная модель региональной сети железных дорог.
? Функциональная структура ГИАС РСЖД и ее аналитического блока, методология проведения пространственного, отчетно-статистического, многомерного и инфлюентного анализа показателей эксплуатационной и экономической работы, надежности, живучести, облика и связности РСЖД.
? Методология формирования альтернатив изменения облика и мощности региональной сети железных дорог.
? Методология моделирования изменения облика и мощности региональной сети железных дорог.
ш Методология комплексной оценки альтернатив перспективного развития региональной сети железных дорог.
Основные понятия и определения, принятые в диссертации
Базовыми для дальнейшего изложения исследований автора являются понятия "полигон сети железных дорог" и "региональная сеть железных дорог". В многочисленных научных трудах по-разному осуществляется трактовка этих понятий.
Рассматриваемые понятия тесно связаны с многоуровневыми моделями для планирования работы и развития железнодорожной отрасли. На первых этапах исследований вопросов развития сетей железных дорог иерархическая система моделей их развития строилась как двухуровневая. Верхний уровень представлял сеть железных дорог всей страны, а нижний - ее элементы (узлы и звенья).
Для такой системы моделей были разработаны алгоритмы двухэтапной оптимизации по группам дискретных и непрерывных переменных [143] и проведены соответствующие экспериментальные работы [146].
Верхний (сетевой) уровень предусматривал моделирование развития сети в достаточно агрегированном виде, упрощая при этом описание многих важнейших технологических процессов и особенностей работы транспорта.
В последствии была предложена трехуровневая иерархическая модель развития транспортной сети [214]. В некоторых исследованиях между полигонным и объектным уровнями вводится промежуточный уровень, называемый "транспортным направлением".
В соответствии с трехуровневой моделью И.Т.Козловым предлагается [1] на верхнем (сетевом) уровне, на котором процессы развития сети описываются в целом для страны, решать следующие задачи (рис. 1.2).1. Распределение перевозок между полигонами транспортной сети.2. Распределение ресурсов между полигонами транспортной сети.3. Определение потребности в подвижном составе и распределение его между полигонами транспортной сети.4. Выбор варианта организации управления перевозочным процессом.
На среднем (полигонном) уровне описание технологического процесса ве --дется применительно к крупным частям транспортной сети - полигонам.На полигонном уровне решаются две задачи.1. Распределение перевозок между направлениями в пределах полигона сети.2. Определение последовательности проведения реконструктивных мероприятий на объектах полигона сети.
На нижнем (объектном) уровне рассматриваются элементы полигонов -объекты транспортной сети и решается задача развития отдельных устройств.
Предложенная И.Т.Козловым схема (рис. 1.2), по его мнению [1], "пригодна для определения развития, как комплексной транспортной сети, так и транспортных сетей отдельных видов транспорта".
Действительно, многочисленные исследователи в области развития транспортных сетей в последние годы придерживались трехуровневой иерархической модели сети, с выделением полигонного уровня, как принципиально важного структурного элемента сети. К таким исследователям можно отнести труды Ю.А.Григоряна [86], В.А.Ардашина [1], А.П.Батурина [24] и многих других.
Разделение всей сети железных дорог на отдельные полигоны предполагает, что они не должны иметь общих объектов (условие не пересечения), связь между ними необходимо осуществлять в стыковых узлах. Соединение полигонов должно составлять железнодорожную транспортную сеть страны. В зависимости от решаемых задач принципы разбиения сети на полигоны могут быть различными. И.Т.Козлов в работе [1] предложил: "на комплексной транспортной сети в основу разбивки целесообразно положить экономические районы".
В.НЛившиц в работах [100,148] отмечал, что "Проблема оптимального разделения сети на полигоны - самостоятельная сложная задача, для обоснования решения которой требуется проведение целого ряда исследований. В настоящее время это деление может опираться на экспертные соображения, существенно использующие практический опыт управления транспортной системой, т.е. в первом приближении в качестве полигонов на железнодорожном транспорте можно взять дороги (как административные единицы), на морском - пароходства и т.д." -В одной из последних работ по вопросам развития транспортных сетей [82]С.МХончарук, развивая идеи В.Н.Лившица, рассмотрел системный подход кобоснованию мощности сети и полигонов железных дорог. В исследованииС.М.Гончарука "иод полигоном железной дороги (ПЖД) следует пониматьсовокупность станций всех классов и соединяющих их линий в рамкахадминистративного закрепления железной дороги ".
Выделение дороги как административной единицы в системе МПС РФ в виде полигона железнодорожной сети, на наш взгляд, является обоснованным. Это в первую очередь связано с существующей системой управления и информационным обеспечением.
На железнодорожном транспорте структура управления имеет четыре уровня: Министерство путей сообщения - Управление железной дороги - Отделение железной дороги - Линейное предприятие (рис. 1.3) и только в некоторых случаях - три уровня. Так, например, Красноярская ж.д. в настоящее время перешла на без отделенческую работу.
Вся система управления железнодорожным транспортом построена по производственному, территориальному и функциональному принципам.
По производственному принципу огромное хозяйство железнодорожного транспорта подразделено на отрасли, которыми руководят соответствующие департамент ы.
МПС РФ решает важнейшие стратегические вопросы управления, руководит выполнением плана перевозок пассажиров и грузов, перспективным развитием отрасли, эффективным использованием денежных средств на комплексное развитие пропускных и провозных способностей железных дорог, проведением мероприятий по повышению безопасности движения поездов, по снижению себестоимости перевозок и т.д.По территориальному принципу железнодорожная сеть России разделена на 17 дорог. Управление каждой железной дороги имеет в своем составе различные службы.
Эксплуатационно-технические характеристики, эксплуатационные и экономические показатели, критерии оценки надежности и живучести элементов РСЖД
Эксплуатационно-технические характеристики узлов и звеньев региональной сети железных дорог являются в математической модели составной частью описания ее топологии и позволяют совместно с показателями и критериями оценки эксплуатационной и экономической работы использовать данную информацию для анализа существующего состояния отдельных элементов и РСЖД в целом, а также для разработки сценариев ее развития.
Основные эксплуатационно-технические характеристики для узлов и звеньев приведены в табл.2.5. Модели данных основных эксплуатационных характеристик объектов региональной сети железных дорог приводятся в параграфе 2.4. Показатели и критерии эксплуатационной работы приведены в табл.2.6. , а показатели и критерии экономической оценки эксплуатационной работы - в табл.2.7.
Эксплуатационно-технические характеристики узлов и звеньев фиксируются по фактическому их состоянию, а также исходя из намечаемых сценариев их развития и перспективного изменения облика РСЖД.
Показатели и критерии эксплуатационной работы определяются (рассчитываются) по поездо-участкам на основании статистических данных (формы статистической отчетности ДО, ЦО, ГО, ТО, ТХО, ВО, ПО, ЭО и т.п.) [3] или прогнозов на перспективу для соответствующего сценария развития или изменения облика РСЖД.
Экономическая оценка эксплуатационной работы базируется на системе расходных ставок на измеритель, определяемых в рамках каждого полигона сети железных дорог (по отделениям и дороге в целом).
Оценка экономических показателей при проведении ремонтных, восстановительных работ, организационно-технических или реконструктивных мероприятий, направленных на улучшение использования или развитие мощности элементов РСЖД, а также на изменение существующей топологии производится на основе разработки проектов или технико-экономического обоснования (ТЭО).
Показатели надежности и живучести элементов региональной сети железных дорог позволяют охарактеризовать ее работу соответственно с внутрисистемных и внешне системных позиций. Поясним данный тезис более подробно.
Понятия надежности и живучести связаны с работоспособностью РСЖД во --времени, т.е. выполнением заданных функций в установленном объеме на требуемом уровне качества в течение определенного периода времени эксплуатации или в произвольный момент.
Различия этих понятий обусловлены, прежде всего, различиями причин или факторов, нарушающих нормальное функционирование региональной сети железных дорог, отдельных узлов и звеньев, а также отдельных сооружений и устройств.
Надежность РСЖД - есть свойство обеспечивать транспортные связи, сохраняя во времени значения установленных показателей и критериев качества в заданных условиях эксплуатации. Она отражает влияние на работоспособность РСЖД главным образом внутрисистемного фактора - случайных отказов сооружений, устройств и технических средств, вызываемых процессами старения, дефектами изготовления или ошибками при ремонтах или текущем содержании. Живучесть РСЖД характеризует ее устойчивость против действия причин, лежащих вне системы и приводящих к разрушениям или значительным повреждениям некоторой части ее элементов - верхнего и нижнего строения пути, линий связи, автоблокировки, стрелочных переводов, мостов и т.п., что в свою очередь приводит к нарушению транспортных связей и перерывам в движении поездов. Все причины можно подразделить на две группы: стихийные и преднамеренные. К стихийным факторам относятся такие, как землетрясения, оползни, обвалы, разливы рек и размывы земляного полотна, снежные лавины, селевые потоки и т.п. явления. К преднамеренным факторам можно отнести ракетно-ядерные, бомбовые, минометные и другие удары противника во время войны, диверсионные или террористические действия.
Внутрисистемные и внешне системные факторы обусловливают существенные различия в причинах нарушения транспортных связей РСЖД, их проявлении, характере и масштабности, сказывающиеся на продолжительности задержки движения поездов, путях и способах устранения этих причин и мерах, направленных на повышение устойчивости работы РСЖД. Если поток случайных отказов отдельных устройств приводит к нарушению лишь отдельных --транспортных коммуникаций и обладает малой вероятностью одновременногоотказа нескольких транспортных связей, то нарушения работы РСЖД указанными выше факторами живучести обладают существенно иными свойствами. Особенно это характерно для преднамеренного поражения, когда одновременно может выводиться из строя значительная часть железнодорожных устройств и коммуникаций. Нарушения работы отдельных узлов или звеньев РСЖД из-за случайных отказов устройств, технических средств, объектов или из-за ошибок обслуживающего персонала обычно кратковременны, т.к. они в большинстве случаев быстро устраняются. Что же касается нарушения транспортных связей РСЖД из-за разрушения отдельных ее элементов (узлов и звеньев), то они несравненно более продолжительные. Если первые исчисляются обычно десятками минут или часами, то вторые - сутками, поскольку это связано с огромным объемом восстановительных работ.
Следует отметить, что для оценки надежности и живучести необходимо использовать неодинаковую степень погрешности исходных данных. Как правило, по эксплуатационно-техническим отказам отдельных объектов и устройств, входящих в состав узлов и звеньев РСЖД имеется обширный статистический материал. Достоверность исходных данных по надежности отдельных элементов РСЖД несравнимо выше точности данных для анализа ее живучести. Так, например, до сих пор не существует достаточно точных методов прогнозирования землетрясений. Весьма проблематично прогнозирование поражающих воздействий противника на РСЖД. Из этих фактов следует, что в настоящее время и в ближайшей перспективе оценка живучести РСЖД и ее отдельных элементов может быть грубо приближенной. В связи с этим и методы ее расчета могут быть приближенными. Основным требованием является то, чтобы погрешность методов расчета не превосходила неточность исходных данных.
В качестве показателей (критериев) надежности могут применяться показатели, предусмотренные Государственным стандартом1. --Наиболее приемлемыми из них являются: коэффициент готовности Кгн,наработка на отказ Тон и среднее время на восстановление отказавшего элемента РСЖД Твн, которые взаимно связаны соотношением:
В практике нередко требуется наряду с характеристикой состояния РСЖД в произвольный момент (Кгн), иметь оценку ее работоспособности в течениеопределенного времени tp. Для такой оценки рекомендуется так называемый коэффициент оперативной готовности:где pitр ) - вероятность того, что РСЖД, находясь в исправном состоянии, впроизвольный момент времени t, не выйдет из строя в интервале t -г +t р.
Показатели живучести и надежности являются аргументами функции устойчивости работы РСЖД. Поэтому, следует стремиться, чтобы эти показатели были однотипными или аналогичными. Действительно, если поражающие факторы приводят к относительно кратковременным нарушениям работы региональной сети железных дорог, то для оценки ее живучести целесообразно применять такие же по форме показатели, как и показатели надежности, т.е. коэффициент готовности (Кгж), наработку на отказ (Тож) и среднее время на восстановление (Твж).
Следует отметить, что приведенные показатели надежности и живучести РСЖД необходимо использовать для оценки конкретной транспортной связи между двумя узлами. Для оценки работы региональной сети железных дорог, когда одновременно осуществляются многочисленные транспортные связи между узлами, можно использовать такой показатель, как средняя доля или математическое ожидание доли пар узлов, между которыми транспортная связь не прерывается (выживает) в течение заданного периода в условиях воздействия соответствующих факторов (F).
Объекты картографирования и их классификация. Классификаторы и условные обозначения в ГИАС РСЖД
Особое место в геоинформационных системах занимают классификаторы объектов картографирования. Разработка классификаторов является одним из ключевых условий обеспечения создаваемых в настоящее время в России государственных и региональных картографо-геодезических фондов, банков цифровых картографических данных, федерального и регионального центров геоинформации. В общем случае можно выделить три сферы действия классификатора: сбор, инвентаризация, хранение и обработка информации об объектах; создание автоматизированных банков данных геинформационных и автоматизированных картографических систем; использование автоматизированных банков данных геинформационных и автоматизированных картографических систем в различных областях деятельности и производства.
Разработка классификаторов должна базироваться на классификации объектов картографирования соответствующей предметной области. Предметную область классификации составляют природные и социально-экономические объекты, их свойства, процессы и отношения, принадлежащие к атмосфере (воздушная оболочка Земли), литосфере (Земная кора и рельеф ее поверхности), гидросфере (водная оболочка Земли), биосфере (сфера жизни и деятельности организмов), педосфере (плодородный слой земли), социосфере (общество и общественные отношения) и техносфере (технические объекты и геотехнические системы).
Объекты картографирования вышеперечисленных сфер можно классифицировать с различных позиций в зависимости от поставленных целей.
Основываясь на работы А.М.Берлянта, А.В.Кошкарева, А.Л.Ревзона [203, 204], В.С.Тикунова [28, 29], В.Я.Цветкова [261], А.А.Цернанта [262] и исходя из системных представлений исследуемой проблемы, можно выделить еле --дующие основные подходы применительно к картографированию объектов региональной сети железных дорог: региональный (таксономический), при котором объектами картографирования выступают территориальные единицы, характеризующиеся топологическими, тематическими, хронологическими, типологическими и иными классификационными признаками (природные, экономические, экологические и др.); инвентаризациошо-ресурсный, ПОЗВОЛЯЮЩИЙ с максимальной полнотой и точностью отображать объекты как компоненты общественного производства и обеспечения жизни человека (полезные ископаемые, трудовые ресурсы и т.п.); прогнозный, ориентирующий при картографировании на предполагаемые, предсказанные, не наступившие и/или недоступные для непосредственного изучения события (возможные изменения структуры сети железных дорог, разработка очагов природных ресурсов, прогноз опасных природных явлений и т.п.). Прогнозы могут различаться во временном и в пространственном аспектах; исторический, предполагающий отражение природных и социально-экономических объектов прошлого; оценочно-рекомендательный, при котором: 1) фиксируются значимость (пригодность) объектов для решения каких-либо задач или соответствие выбранных объектов каким-либо критериям или нормам; 2) фиксируются предлагаемые меры по использованию, преобразованию или развитию объектов (проектные проработки); геотехнический (природно-технический), отображающий совокупность форм взаимодействия инженерных сооружений с геологической и природной средой; экологический, предполагающий в качестве объектов картографирования отношения между средой и живыми организмами; общегеографический (топографический), ориентирующий на интеграль --ное отображение взаимосвязанных по местоположению видимых объектов природной, природно-общественной, социально-экономической сфер. Особая роль при создании картографической информации для любых целей принадлежит общегеографическому подходу. Это объясняется универсальностью данного подхода к картографированию объектов, комплексностью содержания общегеографических карт любой тематики и возможности пространственной привязки различных данных (исторических, статистических, гидрометеорологических, ресурсных, аэрокосмических и т.д.).
Топографические карты многоцелевого назначения содержат сведения об объектах природных, общественных и природно-общественных сфер. Специализированные топографические карты, создаваемые на основе карт многоцелевого назначения, содержат дополнительную информацию об определенном классе объектов топографического картографирования (геологических, сельскохозяйственных, социально-экологических и др.).
Для создания модели классификации объектов картографирования РСЖД (рис. 3.1) автором выбран общегеографический подход. Все объекты картографирования делятся на два класса: социально-экономические объекты, охватывающие объекты социосферы и техносферы; природные и природно-антропогенные, объединяющие объекты атмосферы, литосферы, биосферы, педосферы, гидросферы, а также, зоны взаимного неблагоприятного воздействия сооружений и геологической среды (обвалы, оползни, лавины, карсты, осыпи, вечная мерзлота и т.п.).
В приведенной модели классификации ключевым для ГИАС РСЖД является класс "региональная сеть существующих железных дорог" и "перспективные железнодорожные линии в регионе". Подклассом для них являются такие объекты для картографирования как станции и перегоны (базовые объекты модели структуры РСЖД).
Материалами картографирования для указанных объектов служат общегеографические карты, полоса отвода земли, планы станций, а также дополнительные графические материалы (планы локомотивных и вагонных депо, продольные профили главных и станционных путей, поперечные профили и др.).
Одной из составляющих компонент информационного обеспечения геоинформационной аналитической системы РСЖД являются условные знаки, позволяющие отображать на графических и картографических материалах различные сооружения и устройства.
При традиционной подготовке проектной документации по плану станций и продольному профилю участка железной дороги используется система условных знаков, приведенная в работах [237, 98, 250].
Методология формирования исходного множества альтернатив (ШЛА) изменения облика и мощности РСЖД на основе ГИАС
В соответствии со схемой, рассмотренной в предыдущем параграфе и приведенной на рис. 4.2, для принятия решений по изменению облика и мощности РСЖД необходимо сформировать исходное множество альтернатив (ИМА). Причем, особое место в данном процессе отводится мероприятиям, направленным на повышение эффективности и надежности работы, изменение мощности РСЖД на объектном уровне. При отсутствии априорной информации о свойствах альтернатив в качестве исходного можно использовать универсальное множество (УМА) всех мыслимых альтернатив Cly. Однако, как показывает практика решения задач изменения облика и мощности сети железных дорог, при таком ИМА любая задача становится сложной и не всегда разрешимой из-за большой размерности. В работе [83] А.П.Кондратченко, по данному поводу писал: "Если поставить перед собой задачу - выявить оптимальный комплекс параметров проектирования для одного из направлений проектируемой дороги при возможности варьирования руководящим уклоном в диапазоне от 9 до 12 /QO, четырьмя стандартными длинами приемо-отправочных путей, тремяуровнями расчетной пропускной способности для размещения раздельных пунктов, то потребуется 48 вариантов исходной трассы. Так как каждый вариант исходной трассы является базой для формирования оптимальных схем этапного овладения перевозками, то объем всей проектной и вычислительной процедуры при простом переборе всех расчетных случаев будет настолько велик, что потребует не только большого времени и труда, но может затруднить их систематизацию и анализ". Проектирование такого количества трасс железной дороги становится нецелесообразно даже при использовании современных ЭВМ.
Для уменьшения размерности задачи при формировании альтернатив, как принято в теории принятия решений, прибегают к процедуре выделения в Qy --некоторой области возможных альтернатив Qe. Причем, будем считать, чтоfie = С0„х {О.у), где Соп - функция выбора, с помощью которой устанавливаетсяпринадлежность рассматриваемых альтернатив к множеству возможных. В качестве функции выбора Соп , как правило, используются технические ограничения, накладываемые на параметры.
Например, требуется сформировать возможные альтернативы увеличения радиуса железнодорожной кривой для повышения скорости движения поездов. Допустим, радиус существующей кривой равен 300 м. Примем шаг изменения радиуса равным 10 м. Максимальное значение радиуса в соответствии с СТН Ц-01-95 (Строительно-технические нормы. Железные дороги колеи 1520 мм) составляет 4000 м. В этом случае универсальное множество для решения поставленной задачи будет состоять из 370 альтернатив. Для уменьшения размерности задачи воспользуемся ограничениями, связанными с такими изменениями радиуса кривой, при которых путь будет оставаться в пределах существующего земляного полотна. Пусть предельное значение радиуса, при котором выполняется данное ограничение, равно 350 м. В этом случае универсальное множество уменьшается до 5 возможных альтернатив.
Наличие дополнительной информации о свойстве задачи в виде экономических и других ограничений на критерии выбора позволяют выделить из Qeмножество допустимых альтернатив Qd, которое принимается за ИМА. В этом случае решается задача Пд =Соп (Пв), где С0„2- функция выбора, отражающая условия допустимости альтернатив.
Таким образом, определение исходного множества альтернатив изменения облика и мощности РСЖД осуществляется в два этапа. На первом этапе производится формирование возможных альтернатив, а на втором - проверка на их допустимость. Часто, в конкретных задачах, связанных с изменением облика и мощности РСЖД этапы формирования ИМА могут совмещаться. Это связано с постановкой задачи и моделью, в которую входит комплекс ограничений на параметры и функцию цели. В последующих параграфах данной главы такие задачи, объединяющие два этапа формирования ИМА, будут рассмотрены.
В общем случае, формирование ИМА в рамках одного полигона сети железных дорог, входящих в состав РСЖД, может осуществляться по схеме приведенной на рис. 4.4.
Формирование исходного множества альтернатив осуществляется по каждому объекту ox,x = \J, принадлежащему конкретному линейному предприятию ру, у = 1, т, которое находится в иерархическом подчинении соответствующей службе железной дороги SjJ = l,k. Например, для объекта ох линейного предприятия pY службы Sx, в результате проведенного системного анализа с применением арсенала средств ГИАС РСЖД, может быть намече HOV возможных альтернатив. Далее решается задача Qd =C0„2(Qe) с применением специальных процедур формирования допустимого множества альтернатив. Формирование допустимого множества альтернатив по другим объектам рассматриваемого предприятия рх осуществляется аналогичным образом. Для линейного предприятия Pi возможными альтернативами будет яв ляться совокупность Df1 =С1д1 х ... х2дл , из которой выделяются допустимые альтернативы Qj1. Подобным образом осуществляется процедура формирования альтернатив для других линейных предприятий службы Sx. Возможными альтернативами для службы Sx является совокупностьQel = Q.%1 х ... xQ%m. Осуществляя аналогичные действия, для объектов и предприятий других служб железной дороги будут выделены допустимые множества альтернатив: fij, ... ,Q/.
Для полигона сети железных дорог (ПСЖД) возможные альтернативы будут формироваться как совокупность допустимых альтернатив служб дороги:S SQe = Qdl х ... х Qdk. С учетом дополнительных ограничений на функцию целииз множества возможных альтернатив выделяются допустимые альтернативы С1д, которые и будут являться исходным множеством альтернатив (ИМА) дляпринятия решений по социально-экономическому развитию полигона сети железных дорог.
