Содержание к диссертации
Введение
1. Концепция проектирования комплексного развития региональной сети железных дорог с учетом изменения облика и мощности станций и узлов 29
1.1. Роль и значение железнодорожных станций и узлов в работе РСЖД в условиях реформирования отрасли. Цель и задачи исследования 29
1.2. Анализ существующих моделей и методов проектирования облика и мощности РСЖД 51
1.3. Разработка концепции проектирования комплексного развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов 68
1.4. Результаты и выводы 84
2. Разработка системы информационного обеспечения проектирования развития рсжд с учетом изменения облика и мощности станций и узлов 87
2.1. Принципы создания системы информационного обеспечения проектирования развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов, выбор методологии её разработки.. 87
2.2. Функциональная модель системы информационного обеспечения проектирования развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов 110
2.3. Модель данных системы информационного обеспечения проектирования развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов 126
2.4. Программно-технический комплекс для проектирования развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности
станций и узлов 166
2.5. Событийная модель управления процессом проектирования развития РСЖД в системе информационного обеспечения 170
2.6. Результаты и выводы 172
3. Формирование проектных альтернатив развития региональной сети железных дорог с учетом изменения облика и мощности станций и узлов 174
3.1. Основные понятия и определения. Содержательная постановка задачи формирования проектных альтернатив развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов 174
3.2. Математическая модель формирования проектных альтернатив развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов 190
3.2.1. Формализованное описание РСЖД для формирования проектных альтернатив её развития с учетом изменения облика и мощности станций и узлов 190
3.2.2. Потребные объемы перевозок и динамика их изменения по годам расчетного периода на объектах РСЖД 215
3.2.3. Критерии оценки проектных альтернатив развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов 219
3.2.3.1. Сбалансированная система показателей для оценки проектных альтернатив развития РСЖД 219
3.2.3.2. Определение показателей мощности объектов РСЖД 232
3.2.3.3. Определение показателей надежности для оценки проектных альтернатив развития РСЖД 259
3.2.3.4. Определение народнохозяйственной и отраслевой эффективности проектной альтернативы развития РСЖД 284
3.2.3.5. Показатели технической эффективности, надежности и качества для оценки проектной альтернативы развития РСЖД 288
3.2.4. Математическая постановка задачи формирования проектных альтернатив развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов 291
3.3. Методика формирования проектных альтернатив развития
РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов 294
3.4. Результаты и выводы 306
4. Методология формирования эффективной области проектных альтернатив развития рсжд с учетом изменения облика и мощности станций и узлов для принятия решений 308
4.1. Постановка задачи и определение критериев для её решения 308
4.2. Выбор метода решения задачи формирования эффективной области проектных альтернатив развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов 314
4.3. Методика формирования эффективной области проектных альтернатив развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов при различных вариантах распределения грузовых перевозок 327
4.4. Технология работы ЛПР с эффективной областью проектных альтернатив развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов ^29
4.5. Результаты и выводы 338
Основные выводы 339
Список использованных источников
- Анализ существующих моделей и методов проектирования облика и мощности РСЖД
- Функциональная модель системы информационного обеспечения проектирования развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов
- Математическая модель формирования проектных альтернатив развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов
- Выбор метода решения задачи формирования эффективной области проектных альтернатив развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов
Введение к работе
Обеспечение экономического роста и повышения качества жизни нынешних и будущих поколений россиян является стратегической целью функционирования и развития транспортной системы страны [341]. «Задачи развития транспортной системы, направленные на реализацию стратегической цели, непосредственно связаны с долгосрочными социально-экономическими и геополитическими приоритетами государства» [341].
Развитие транспортной инфраструктуры должно осуществляться в увязке с перспективными сценариями развития производительных сил. При этом «...расчетные перспективные пропускные и провозные мощности коммуникаций транспортных узлов, а также приоритетные направления территориального развития инфраструктуры увязываются с долгосрочными перспективами развития производительных сил, регионов, внешней торговли» [341]. В транспортной стратегии Российской Федерации рассматриваются три сценария социально-экономического развития страны: умеренный, оптимистический и критический.
Умеренный сценарий развития «связан с сохранением лидирующей роли добывающего сектора в экономике и экспорте России и некоторого ухудшения конъюнктуры на международных рынках сырьевых энергетических ресурсов» [341] и предполагает, что устойчивые среднегодовые темпы роста ВВП сохранятся на уровне 4-5 % при достаточно быстром росте реальных доходов населения и инвестиций.
Оптимистический сценарий развития исходит из более благоприятного сочетания внешних и внутренних факторов и предполагает достижение среднегодовых темпов роста ВВП в размере 5-6 % с последующим их повышением до 6-8 % в период 2007-2015 гг.
6 при интенсификации инвестиционной деятельности и быстром росте доходов населения.
Критический сценарий развития «предполагает продолжение экономических реформ в неблагоприятных внешних условиях» [341], что «может привести в первые годы к отрицательным темпам экономического роста и обострению социальной ситуации» [341].
Динамика основных макроэкономических показателей по каждому из сценариев социально-экономического развития страны должна определять параметры перспективного развития её транспортной системы. При этом реализация транспортной стратегии должна учитывать региональные аспекты.
Расположение России на громадных территориях с разными природно-климатическими условиями и с разнообразным природно-ресурсным потенциалом, по сути, предопределило исторически сложившуюся неоднородность социально-экономического пространства России, которое «оказывает значительное влияние на функционирование транспортной системы и обусловливает необходимость возможно более полного учета интересов и особенностей отдельных регионов» [341]. Поэтому в транспортной стратегии сделан упор на дифференцированный подход к развитию опорной транспортной сети в регионах России.
«Для европейской части России приоритетами являются модернизация и комплексное развитие транспортной сети, в том числе полосе основных международных транспортных коридоров, повышение пропускной способности автодорожной сети, ликвидация «узких мест» на подходах к крупным городам» [341].
«Для азиатской части страны основной задачей является формирование опорной транспортной сети, местной сети, обеспечивающей связь населенных пунктов с опорной транспортной
сетью, а также создание коммуникаций, обеспечивающих освоение природных ресурсов» [341].
Несмотря на то, что «территориальный фактор в целом негативно сказывается на конкурентоспособности российской экономики из-за необходимости значительных транспортных расходов» [341], надежная и устойчиво развивающаяся транспортная система способна внести существенный вклад в исправление экономического и социального неравенства в развитии регионов, так как это обусловлено тесной взаимосвязью между развитием транспортной системы и пространственным распределением экономической активности.
В условиях, когда государственная региональная политика существенно изменилась в сторону увеличения самостоятельности регионов в осуществлении социально-экономического развития своих территорий, роль и значение транспортных коммуникаций для развития производительных сил и социальной инфрастуктуры регионов трудно переоценить.
В регионах Сибири и Дальнего Востока, составляющих примерно 75 % территории России и имеющих огромный природно-ресурсный потенциал, проживает около 20 % населения страны [167]. Освоение этих регионов, их социально-экономическое развитие невозможно без наличия развитой транспортной системы, основой которой на столь больших территориях являются железные дороги.
В транспортной стратегии указано на ведущую роль железнодорожного транспорта в социально-экономическом развитии страны. «Он не имеет экономической альтернативы при освоении значительных по объёму стабильных потоков массовых грузов, доставляемых на средние и дальние расстояния» [341].
Президент ОАО «Российские железные дороги» Фадеев Г.М. отметил фундаментальное значение для страны железнодорожного транспорта и указал на то, что надо «не только сохранить уникальный железнодо-
рожный транспорт для будущих поколений, но и обеспечить его опережающее развитие» [340].
Огромную роль в развитии производительных сил и улучшении социального положения в регионах Сибири и Дальнего Востока, имеющих низкую плотность населения, играют железнодорожные станции и узлы, выполняющие градообразующие функции и являющиеся центрами развития экономики и промышленности в малоосвоенных районах. В связи с этим реформирование железнодорожной отрасли, проходящее в рамках реализации транспортной стратегии Российской Федерации и направленное на оптимизацию работы сети железных дорог страны с внедрением новых технологий перевозок, предусматривающих повышение интенсивности использования технических средств путем сокращения рабочих парков вагонов, поездных и маневровых локомотивов, потребного количества раздельных пунктов, промежуточных, участковых станций, локомотивных и вагонных депо, должно проводиться обдумано, с научным обоснованием принимаемых решений и учитывать определяющую роль станций и узлов в социально-экономическом развитии регионов.
Ведущие ученые страны не раз указывали на необходимость научного обоснования стратегии развития транспорта в период рыночных реформ в экономике с целью уменьшения влияния негативных последствий спада производства на состояние транспортной отрасли страны. И все же по данным, приведенным Ю.А. Щербаниным в [339], «в результате экономических реформ российский транспорт по целому ряду показателей отброшен с лидирующих позиций, которые раньше занимал Союз, далеко назад», в то время как мировая транспортная система развивалась в этот период большими темпами. В этой связи интеграция транспортной системы России в мировую с целью создания международных транзитных коридоров столкнётся с большими проблемами, вызванными разным уровнем их развития. Поэтому сохранение и развитие
мощностей транспортной системы является приоритетной задачей транспортной стратегии страны.
Утверждение С. Г. Струмилина, что «некоторый резерв транспортных ресурсов представляется нам одним из самых целесообразных видов резерва, ибо его отсутствие может превратить транспорт, являющийся одним из самых мощных факторов хозяйственного развития, в один из самых серьезнейших тормозов этого развития» [168], сформулированное ещё 1960-е годы, сохраняет свою актуальность и на современном этапе развития страны.
В отношении железнодорожного транспорта и его развития в малоосвоенных регионах России это утверждение затрагивает проблему внедрения новых технологий перевозок на железных дорогах Сибирского и Дальневосточного регионов, простирающихся на больших территориях со сложнейшими природно-климатическими условиями. Вопросы изменения предназначения и роли станций в процессе перевозок, их облика и мощности, сокращения числа раздельных пунктов, локомотивных и вагонных депо, связанные с оптимизацией работы сети железных дорог в данных регионах, должны решаться только с учетом сохранения и развития мощности региональной сети железных дорог (РСЖД), которая является основой транспортной системы регионов.
В транспортной стратегии Российской федерации отмечено, что одной из основных причин, сдерживающих развитие Дальневосточного региона, является слабое развитие его транспортной сети.
«6 то же время транспортно-географическое положение Дальнего Востока и Забайкалья благоприятствует развитию международных торговых связей. Большинство территорий Дальнего Востока имеет прямой выход к морю, что обеспечивает им удобные связи со странами Азиатско-Тихоокеанского региона» [341]. «Есть все основания уже в ближайшем будущем ожидать бума и в портовой индустрии
Дальнего Востока» отмечается в [343]. Там же «... объемы торговий со странами Азиатско-Тихоокеанского региона растут и будут расти .... Растет потребление нефтепродуктов Китаем, и все больше наливных грузов тяготеет к дальневосточным портам. Реальными становятся перспективы расширения экспорта углеводородов в США» [343]. «Наличие огромных и разнообразных запасов природных ресурсов, позволяет сделать вывод, что этот регион в настоящее время и на перспективу будет являться основой развития экономики субъектов Федерации на территории от Байкала до Тихого океана, да и России в целом» [314]. Все это подтверждает то, что проблемы сохранения и развития мощности региональной сети железных дорог Сибирского и Дальневосточного федеральных округов имеют государственное значение. Ключевыми из них являются:
обновление и модернизация основных производственных фондов;
завершение строительства линии Беркакит - Томмот - Якутск для повышения эффективности транспортного обеспечения Севера и разработки минерально-сырьевой базы Республики Саха (Якутия);
реконструкция железных дорог Сахалина и развитие железнодорожного сообщения между материком и островом на базе паромной переправы Ванино - Холмск или иных решений;
завершение формирования опорной. магистральной железнодорожной сети (усиление Главсиба, завершение строительства БАМа и АЯМа и соединительных линий, обеспечивающих маневренность сети);
расширение пропускной способности основных направлений сети железных дорог (Транссибирской и Байкало-Амурской магистралей), завершение мероприятий по интеграции с инфраструктурой международных транспортных коридоров;
создание совместно с другими видами транспорта эксплуатационно-технологических и экономических условий для привлечения на рос-
п сийские железные дороги международного транзитного потока (МТК «Транссиб», «Приморье-1», «Приморье-2»);
комплексная системная модернизация портов Дальнего Востока и железнодорожных подходов к ним для обеспечения стимулирования развития МТК «Транссиб» и экономического развития региона;
расширение существующих и строительство новых железнодорожных подходов к крупным промышленным районам, месторождениям;
развитие информационно-управляющих систем;
развитие комплексных систем, обеспечивающих безопасность железнодорожных перевозок;
развитие международных пограничных переходов и терминального хозяйства, обеспечивающих ускорение технологической и таможенной обработки, комфортных условий для пассажиров.
Таким образом, реформирование экономики и транспортной системы страны, в том числе и железнодорожной отрасли, выдвинуло на передний план большой пласт проблем, которые требуют тщательного исследования. Одной из них является проблема проектирования комплексного развития региональной сети железных дорог (РСЖД) с учетом изменения облика и мощности станций и узлов.
Предпосылками для постановки этой проблемы явились последствия внедрения в 2000-2003 гг. новых технологий перевозочного процесса на сети железных дорог без должного научного и технико-экономического обоснования.
Актуальность проблемы проектирования комплексного развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов подтверждается следующими выводами, полученными автором при выполнении научно-исследовательских работ для железных дорог Сибири и Дальнего Востока.
І.Спад производства и обвальное падение объемов перевозок на этапе перехода от плановой экономики к рыночной привели к значительному дефициту денежных ресурсов, который не позволил планомерно и в полном объёме проводить на железных дорогах обновление основных фондов, ремонтные и реконструктивные мероприятия, обеспечивающие безопасность, бесперебойность перевозок и улучшение технико-эксплуатационных показателей работы дорог.
В свою очередь, старение основных фондов железных дорог значительно снизило эксплуатационную надежность работы транспортных объектов, их пропускную и провозную способности.
Анализ выполнения графика движения поездов на Транссибирском направлении Дальневосточной железной дороги и технического состояния его участков и станций выявил, что основными причинами низкого уровня реализации наличной пропускной способности (40-60 % от максимально возможной) являются технологические отказы станций и участков, а также недостаточная надёжность подвижного состава, постоянных сооружений и устройств.
Анализ функционирования РСЖД Сибири и Дальнего Востока в условиях колебания объемов перевозок из-за внутригодичной, внутримесячной и внутрисуточной неравномерности показал, что прирост перевозок на 20-30 %, вызывает значительные перебои в работе РСЖД, которые в основном связаны с технологическими отказами в работе станций и техническими отказами подвижного состава [33,35].
В связи с перспективами освоения природных ресурсов Дальневосточного региона (месторождения угля, руд, минерального сырья и т. д.) и возможным открытием транспортного коридора на Корею и увеличением контейнерных перевозок по Транссибирской магистрали ожидается
значительный прирост объемов транзитных перевозок, пропуск которых должна обеспечить РСЖД Сибири и Дальнего Востока.
Внедрение новых технологий перевозок на неподготовленной инфраструктуре РСЖД привело к значительным эксплуатационным потерям: так, за 9 месяцев 2002 г. из-за пропуска длинносоставных поездов при неподготовленности приемоотправочных путей станций на полигоне Дальневосточной железной дороги произошло 10920 задержек поездов на 8736 часов.
Подготовка региональной сети железных дорог Сибири и Дальнего Востока к внедрению новых технологий перевозок и завершение электрификации Транссибирской магистрали потребовали изменения предназначения, облика и мощности станций. Эти изменения в 2000-2003 гг. осуществлялись в авральном порядке без должного научного и технико-экономического обоснования, что привело к значительным потерям мощности РСЖД, к неоправданному увеличению инвестиций и эксплуатационных расходов. Ярким примером тому является работа полигона Забайкальской железной дороги (ПЖД) в 2000 - 2001 гг. После перевода управления процессом перевозок из Читы в Иркутск и Хабаровск, а также внедрения новых технологий перевозок на неподготовленном ПЖД, была полностью парализована работа Транссибирской магистрали, что привело к значительным эксплуатационным потерям и отказам в работе технических средств и устройств железной дороги.
Изменения предназначения, облика и мощности станций на железных дорогах Сибири и Дальнего Востока проводились в большинстве случаев без учета стратегии социально-экономического развития регионов, особенностей организации местной работы на участках РСЖД, резервирования мощности участков и станций, подвижного состава, локомотивных и вагонных депо для обеспечения потребных перевозок в
форс-мажорных обстоятельствах (стихийные бедствия, катастрофы, стратегические проблемы).
9. Внедрение новых технологий перевозок на РСЖД приводит к изменению облика и мощности участков, станций, узлов РСЖД и требует больших инвестиций, в которых дороги региона испытывают значительный дефицит.
Чтобы решить проблему проектирования комплексного развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов, требуется модификация и совершенствование методологии развития железнодорожных сетей работы [1, 46, 55, 56, 77, 116, 143, 144, 151, 153, 154, 165, 171, 174, 175, 176, 180, 183, 201, 236, 238, 248, 252, 273], разработанной для плановой экономики, основанной на стабильном росте перевозок, постоянном и планомерном обновлении основных фондов, достаточности ресурсов на модернизацию и реконструкцию сети для наращивания её мощности, устойчивой технологии перевозочного процесса, неизменном назначении станций и достаточности их мощности.
В работах СМ. Гончарука [106, 111, 112], Ю.А. Быкова [75], А.П.Батурина [345], B.C. Шварцфельда [112,297,299] и Е.С. Свинцова [241,242,243] предприняты попытки совершенствования методологии развития сети железных дорог с учётом современных условий хозяйствования. При этом в работах СМ. Гончарука и B.C. Шварцфельда предложена методология проектирования комплексного развития узлов и звеньев региональной сети железных дорог, учитывающая аспекты социально-экономического развития регионов, которая, однако, в своей практической реализации не позволяет учесть особенности работы и изменения облика и мощности станций и узлов.
Необходимость совершенствования существующей методологии развития сети железных дорог продиктована также появлением новых сетевых и геоинформационных технологий [60, 109, 155, 162, 209, 233,
235, 279, 297]. Их использование открывает широкие возможности для создания в транспортной отрасли единой системы информационного обеспечения проектирования комплексного развития железнодорожной сети, адекватно отражающей процессы функционирования и развития её объектов и позволяющей на более качественном уровне проводить исследование и моделирование изменения её облика и мощности.
Вышеизложенное подтверждает сложность, актуальность и государственное значение проблемы обоснования изменения мощности, расположения и предназначения станций на РСЖД и доказывает необходимость создания модифицированной методологии проектирования комплексного развития региональной сети железных дорог с учетом изменения облика и мощности станций и узлов при различных сценариях социально-экономического развития регионов. Поэтому данная диссертационная работа посвящена теории и практике проектирования комплексного развития региональной сети железных дорог с учетом изменения облика и мощности станций и узлов.
Цель настоящего исследования состоит в совершенствовании и дальнейшем развитии методологии проектирования комплексного развития региональной сети железных дорог с учетом изменения облика и мощности станций и узлов при различных сценариях социально-экономического развития регионов.
Методы исследования. В работе использованы методы структурного системного анализа, моделирования систем, принцип декомпозиции, элементы теории систем, теории множеств и математической логики, методы теории графов, теории надежности, экономической оценки эффективности проектных решений, динамического программирования, принятия решений и многокритериальной оптимизации.
Научная новизна. Впервые предложены и разработаны:
концепция проектирования комплексного развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов;
функциональная, информационная и событийная модели системы информационного обеспечения комплексного проектирования развития РСЖД;
теоретико-множественная модель задачи формирования проектных альтернатив комплексного развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов;
структурно-параметрическая модель региональной сети железных дорог, которая отражает пространственное расположение её подсистем и элементов, их структурные и технологические взаимосвязи и характеристику технического состояния, позволяет определять технико-эксплуатационные и экономические показатели функционирования РСЖД и агрегировать их при формировании проектных альтернатив развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов;
сбалансированная система показателей, используемая для оценки проектных альтернатив комплексного развития РСЖД и управления траекторией изменения облика и мощности системы в соответствии с установленными на стадии аванпроектирования стратегическими целями и с учётом изменений условий осуществления принятой проектной альтернативы в пределах горизонта расчета;
модель расчета критерия надежности функционирования и развития РСЖД и её объектов, позволяющая определить готовность системы к выполнению заданного объёма работы в течение расчетного периода с учетом эксплуатационных отказов и реализации мероприятий по изменению её облика и мощности;
методология формирования эффективной области проектных альтернатив комплексного развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов;
технология работы ЛПР с эффективной областью проектных альтернатив при принятии решений по комплексному развитию РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов, сопровождения реализации плана мероприятий по принятой проектной альтернативе с анализом последствий его выполнения и корректировкой на последующие годы расчетного периода.
Практическая ценность. Разработанные автором функциональная, информационная и событийная модели системы информационного обеспечения проектирования комплексного развития РСЖД использованы для создания основных модулей программно-технического комплекса автоматизированного решения поставленной проблемы. К ним относятся автоматизированные системы: анализа выполнения графика движения поездов; комплексного мониторинга в путевом хозяйстве железной дороги; вариантных расчетов пропускной способности железнодорожных участков по перегонам и станциям; моделирования и планирования работы станции; определения технико-эксплуатационных показателей работы объектов железных дорог по нормативным, вариантным и исполненным графикам движения поездов. Автор принимал непосредственное участие в разработке и внедрении указанных систем на железных дорогах Сибири и Дальнего Востока, где они используются для формирования и принятия решений по комплексному развитию РСЖД. Предложенные в диссертации функциональная, информационная и событийная модели системы информационного обеспечения проектирования комплексного развития региональной сети железных дорог с учетом изменения облика и мощности станций и узлов, сбалансированная система показателей и математические модели их расчета, методология формирования эффективной области проектных альтернатив комплексного развития РСЖД, технология работы ЛПР по принятию решений, сопровождению и анализу их реализации являются основой для создания
программно-технического комплекса для проектирования развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов. Эффективность методологии проверена при формировании и комплексной оценке инвестиционных проектов развития полигона сети Дальневосточной железной дороги на период 2002 - 2015 гг.
Реализация работы. Диссертационная работа является частью исследований проводимых в соответствии с федеральными, отраслевыми, региональными научно-техническими программами и заказами железных дорог региона Сибири и Дальнего Востока.
Результаты многолетних исследований автора использованы в научно-исследовательских работах, основными из которых являются:
Разработка и обоснование плана поэтапного введения скоростного (до 160 км/ч) движения пассажирских поездов на основных направлениях сети железных дорог СССР (ЦКП «Прогресс», 1987-1988, основание: Постановление ЦК КПСС и СМ СССР от 29.05.86 г., Указание МПС № 750-У от 02.07.85 г.).
Повышение скоростей движения грузовых и пассажирских поездов на основных направлениях сети железных дорог СССР (ОНТП «Ускорение», заказ Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта, 1989 г.).
Разработка и внедрение системы управления базой данных локомотивного отдела (СУБД ПО) службы перевозок для расчёта показателей графика движения поездов, анализа и планирования работы локомотивного парка и локомотивных бригад (заказ Байкало-Амурской, Дальневосточной и Забайкальской железных дорог, договоры №3211 от 01 апреля 1993 г., № 3210 от 01 января 1994 г. и № 3212 от 01 января 1994 г.).
Интеграция систем ИСТРА и СУБД ПО с дополнением новыми функциональными возможностями (заказ Восточно-Сибирской железной дороги, договор № 3214(95) от 01 июля 1995 г.).
Региональная научно-техническая программа «Научно-технические и социально-экономические проблемы развития Дальневосточного региона России» (Приказ № 358 от 10.06.93 г. Министерства науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации. Раздел 7. Транспорт и связь. Программа 7.13, 1993-1996 гг.).
Внедрение систем «Вариантное планирование работы локомотивного парка и локомотивных бригад» и «Оперативный анализ показателей использования локомотивов» с автоматизированной передачей исходной информации из АРМа «Графист» и АСОУП (заказ Забайкальской железной дороги, договор № 3212(96) от 01 октября 1996 г.).
Разработка автоматизированной системы вариантных расчетов пропускной и перерабатывающей способности станций (заказ Забайкальской железной дороги, договор № 3207(99) от 01 января 1999 г.).
Внедрение автоматизированной системы расчетов пропускной и перерабатывающей способности станций на Восточно-Сибирской железной дороге (заказ Восточно-Сибирской железной дороги, договор № 3208(99) от 01 января 1999 г.).
Создание информационного обеспечения автоматизированной системы вариантных расчетов пропускной и перерабатывающей способности станции для моделирования её технологического процесса (заказ Забайкальской железной дороги, договор № 3212(2000) от 01 января 2000 г.).
10. Внедрение на Восточно-Сибирской железной дороге автоматизи
рованной системы вариантных расчетов пропускной и перерабатываю
щей способности станции с формированием баз данных маршрутов пе
редвижения для моделирования технологии её работы (заказ Восточно-
Сибирской железной дороги, договор № 3208(2000) от 01 января 2000 г.).
Создание программного и информационного обеспечения вариантных расчетов пропускной и перерабатывающей способности станции для моделирования технологии её работы (заказ Дальневосточной железной дороги, договор № 3214(2000) от 01 апреля 2000 г.).
Создание электронного паспорта станции для моделирования её работы (заказ Дальневосточной железной дороги, договор № 3214(01) от 01 июня 2001 г.).
Разработка автоматизированной системы планирования работы локомотивного парка и локомотивных бригад по графику движения поездов для ОС Windows 95, 98 и Windows NT (заказ Восточно-Сибирской железной дороги, договор № 3215(01) от 01 января 2001 г.).
Автоматизированная система моделирования и планирования работы станции (АС-МПРС) (Программа НТС СибГУПС, ж.д., вузов МПС РФ региона Сибири, Дальнего Востока и СО РАН, 2000-2002 гг.).
Создание на Дальневосточной железной дороге автоматизированной системы оперативного управления и контроля в путевом хозяйстве (АСОУКП) (заказ Дальневосточной железной дороги, договор № 3221(01) от 15 мая 2001 г.).
Создание на Дальневосточной железной дороге автоматизированной системы анализа выполнения графика движения поездов (заказ Дальневосточной железной дороги, договор № 3222(02) от 01 апреля 2002 г.).
Комплексный мониторинг технического состояния постоянных устройств с позиции обеспечения безопасности движения поездов, надежности работы дороги и сокращения эксплуатационных расходов (заказ Забайкальской железной дороги для подготовки материалов на выездную коллегию МПС РФ, 2002 г.).
Технология дорожной системы диспетчерского контроля состояния устройств путевого хозяйства (Указание № 81 У от 27.05.03 г. МПС России о Программе НТС СибГУПС, ж.д., вузов МПС РФ региона Сибири, Дальнего Востока и СО РАН, 2003-2005 гг.).
Построение системы мониторинга состояния инфраструктуры железных дорог Сибири и Дальнего Востока. Методологические основы теории проектирования изменения мощности региональной сети железных дорог (заказ ЦТЕХ ОАО «РЖД», 2004 г.).
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции (ДВГУПС, Хабаровск, 1998 г.), Всероссийской научно-практической конференции (ДВГАПС, Хабаровск, 1993 г.), юбилейной всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки (ДВГУПС, Хабаровск-Владивосток, 2001 г.), Дальневосточной научно-практической конференции (ДВҐМА, Владивосток, 1995 г.), региональной научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока Транссибу» (СГУПС, Новосибирск, 2002 г.), 39-й научно-практической конференции (ДВГАПС, Хабаровск, 1995 г.), научно-практической конференции (ДВГУПС, Хабаровск, 1999 г.), 58-й научной конференции творческой молодежи (ДВГУПС, Хабаровск, 2000 г.), 43-й научно-практической конференции «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности» (ДВГУПС, Хабаровск 2003 г.), научно-практической конференции, посвященной 60-летию кафедры «Изыскания и проектирование железных дорог» ДВГУПС (ДВГУПС, Хабаровск 2004 г.), координационном совете кафедр «Изыскания и проектирование железных дорог» вузов МПС по проблемам «Прогресс», «Ускорение» (1988-1994 гг.), научных семинарах и заседаниях кафедр «Изыскания и проектирование железных дорог» ХабИИЖТа (1990-1992 гг.) и МИИТа (1992 г.), «Инженер-
ные изыскания и геодезия» ДВГУПС (1998-2002 гг.), кафедр «Изыскания и проектирование железных дорог» ДВГУПС (2003-2005 гг.) и МГУПС (2002, 2005 гг.), кафедры «Эксплуатация морских портов» Одесского национального морского университета (2004, 2005 г.), на научно-технических советах Дальневосточной железной дороги (1995, 2003, 2004, 2005 гг.), Забайкальской железной дороги (1989, 2000, 2002, 2003 гг.), Восточно-Сибирской железной дороги (2003 г.).
Публикации. По материалам исследования опубликовано 35 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и библиографического списка. Общий объем составляет 380 страниц, включает 56 рисунков и 25 таблиц. Список литературы содержит 355 наименований на 36 страницах.
Источником идей, получивших отражение в диссертации, явились многочисленные труды представителей различных научных школ и направлений, которые в той или иной мере участвовали в решении частных и комплексных задач развития железнодорожного транспорта.
Большое влияние на взгляды автора, изложенные в диссертации, оказали научные труды Ґ.Л. Аккермана [3,4], В.А. Ардашина [44], Е.В. Архангельского [48,49], Р. Барлоу [52,53], А.П. Батурина [57,344,345], Ю.А. Быкова [75,76], Б.А. Волкова [85,86], А.В. Гавриленкова [88,92,94,95], С.М.Гончарука [106,111,112], А.В. Ґоринова [113], В.Г. Графеева [98], Ю.А. Григоряна [1,116], П.С. Ґрунтова [117], Ю.В.Дьякова [120,180], Ю.И. Ефименко [123], Ґ.Н. Калянова [327,329], И.И. Кантора [113,132], В.Е. Козлова [148,149], И.Т. Козлова [1,151], ОБ. Козлова [1], А.П. Кондратченко [113,156,158], В.Н.Лившица [77,171,174,175,176,197], A.M. Макарочкина [179,180], М. Месаровича [185,186], Н.Н. Моисеева [192], В.Н.Образцова [196], О. Оре [198], В.Я. Негрея [202,203,204,205], Н.В. Правдина [202,203,204,205], Г.С. Переселенкова [208,209,210], СП. Першина [215], В.А. Подвербного [221,222], Ф. Прошана [52,53],
Е.С. Свинцова [240,241,242,243], В. П. Сигорского [244], К.Ю. Скалова [230,231,263], Е.А. Сотникова [44], И.Б. Сотникова [248,249], И.В. Турбина [113,132,158,270,271], B.C. Шварцфельда [112,297,299], А.А. Цернанта [280], Б.В. Яковлева [132] и многих других ученых.
Приведем основные научные работы, которые использовались в диссертационном исследовании и в совокупности позволяют выйти на современный уровень развития транспортной науки.
Модели и методы проектирования новых и реконструкции существующих железнодорожных участков и линий рассмотрены в работах: ГЛ.Аккермана [3,4], В.А.Анисимова [12,13,14,15,16], А.П.Батурина [344], В.А.Бучкина [71], Н.С.Бушуева [72], Ю.А.Быкова [74,75,76], А.В.Гавриленкова [67,376], А.В.Горинова [113], Б.И.Гороховцева [115], Ю.В.Дьякова [120,121,180], Г.Ґ. Иванова [131], А.И. Иоаннисяна [136,190], И.И. Кантора [113], Б.С.Козина [1,145,146], И.Т. Козлова [1,145,151], А.П. Кондратченко [113,156,158], В.А. Копыленко [160,161], A.M. Макарочкина [179,180], В.А. Подвербного [222], И.В.Турбина [113,132,158,267,268,270,271], Г.И. Черномордика [307] и многих других.
Вопросам развития станций и узлов посвящены труды В.Н.Образцова [196], В.А. Акулиничева [128], В.И.Апатцева [50,51], В.А. Ардашина [44], Е.В. Архангельского [48,49], А.П. Батурина [344], В.Я. Болотного [67,128], П.С. Ґрунтова [117], Ю.И. Ефименко [123,129], Б.Б. Жардемова [124,125], В.Я. Негрея [202,203,204,205], Н.В. Правдина [202,203,204,205], К.Ю. Скалова [230,231,263], Е.С. Свинцова [241], Е.А. Сотникова [44], И.Б. Сотникова [248].
Проблемы пропускной способности участков, станций и узлов исследовали: Е.В. Архангельский [48,49], A.M. Баранов [181], А.В. Гавриленков [94], В.Г. Графеев [98], Ю.В.Дьяков [120,180], Г.Г. Иванов [130], О.В. Калинцев [138], В.Е. Козлов [148,149], И.Т. Козлов [1,151], A.M. Макарочкин [179,180],
Б.М. Максимович [181], В.Я. Негрей [203], Н.В. Правдин [203], В.А. Сокович [246], Э.Д. Фельдман [181], А.Д. Чернюгов [309].
Системному анализу в транспортных процессах посвящены труды: О.В. Белого [59], Г.Н.Ковшова [143,144], В.Н.Лившица [176], Е.П. Нестерова [144], Г.С. Переселенкова [211], СП. Першина [214,215]; моделированию транспортных потоков: В.И. Арсенова [45,46], А.П. Батурина [55,58,345], А.Ф. Бородина [68], В.Г. Галабурды [96], А.Е. Гибшмана [99], И.Т. Козлова [151,152], В.В. Космина [152], В.Я. Негрея [203], Е.П. Нестерова [144], Э.И. Позамантира [223], Н.В. Правдина [203]; проблемам скоростного движения: А.В. Гавриленкова [91,95], Ф.П. Кочнева [163], С.С. Жаброва [91], В.Ю.Козлова [150], В.А. Копыленко [161], Е.А. Сотникова [247], Е.В. Шиваревой [303], Г.И. Черномордика [308] и многих других.
Математические модели и методы в транспортных процессах рассматривались в трудах: В.М. Акулиничева [5], Г.Н.Жинкина [126], СЯ. Луцкого [126], В.Я. Негрея [203], СП. Першина [214], Н.В. Правдина [203], В.П. Шурыгина [133], Э.С. Спиридонова [126], И.Д. Ткачевского [262]; в экономических процессах: В.И. Арсенова [46], И.В. Белова [61], А.В. Болотина [66], Б.А. Волкова [84,85,86], В.А. Галабурды [96], Г.Н.Жинкина [126], А.Б. Каплана [140], В.Н.Лившица [80,174,176,178], А.Д. Шишкова [305] и многих других.
И, наконец, вопросам развития транспортных сетей и полигонов посвящены работы А.П. Батурина [55,57,58,345], Ю.А. Быкова [75], Е.М. Васильевой [77,78], Б.А. Волкова [236], А.В. Гавриленкова [87,111], А.Е. Гибшмана [99], СМ. Гончарука [102,106,111,112,299], А.В. Горинова [114], Ю.А.Григоряна [116], Г.П. Кобылковского [165], Г.В.Ковшова [143,144], Б.С. Козина [1], И.Т. Козлова [1,151], СБ. Козловой [153,154], Ю.Д.Кузнецова [165,166], Б.Ю. Левита [77,171], В.Н.Лившица [77,171,172,173,174,175,176], A.M. Макарочкина [180], Б.С Малышева
[183], Е.П. Нестерова [193], В.А. Паршикова [201], Г.С. Переселенкова [209,211], В.А. Персианова [213], СП. Першина [214,215], В.И. Петрова [216], М.Б.Петрова [318], Ф.С. Пехтерева [217], М.М. Протодъяконова [227], Н.К. Раздобудько [229], Е.С. Свинцова [236,237,238,240,241,242,243], В.Л. Станиславюка [252], Б.И. Солодовникова [107], B.C. Шварцфельда [112,286,297,299], Е.А. Шиваревой [303,304], Ю.Ф.Шишкова [306], С.А. Фадеева [273,274] и многих других исследователей систем железнодорожного и других видов транспорта.
Большое влияние на взгляды автора, раскрытые в диссертации, оказало общение с СМ. Гончаруком как с научным консультантом.
Методы разработки системы информационного обеспечения базируются на работах Ґ.Н. Калянова [327,329], A.M. Вендрова [323], Р. Баркера [350], П. Чена[331].
Методы анализа надежности функционирования сети железных дорог и ее элементов основываются на трудах: И.А. Ушакова [272], Р. Барлоу [52,53], Ф. Прошана [52,53], А.В. Гавриленкова [88,92,93], Г.В. Дружинина [118,119], П.С. ґрунтова [117], Л.А. Карпова [118,141], М.О. Ball [355], C.J. Coufborn [355], J.S. Provan [355].
Методы выбора и принятия решений в многокритериальных задачах, применяемые в исследованиях автора, базируются на трудах Д.И. Батищева [54], Т.Р. Брахмана [69], В.П. Волковича [81], И.М. Макарова [257], Э.А. Трахтенгерца [264], Р.И. Трухаева [265,266], А.Н. Тихонова [261], В.Я. Цветкова [261], R.S. Kaplan [352,354], D.P. Norton [352,354].
Следует особо отметить огромный вклад в теорию принятия решений проектных и научно-исследовательских институтов: ВНИИЖТа, ГИ-ПРОТРАНСов, ГИПРОТРАНСТЭИ, ПРОМТРАНСНИИПРОЕКТа, МОС-ЖЕЛДОРПРОЕКТа, ЦНИИСа, ИКТП и многих других, а также университетов и академий отрасли.
Неоценимую помощь в практической реализации идей и разработок автора оказали главный инженер Дальневосточной железной дороги, председатель Совета главных инженеров железных дорог Сибири и Дальнего Востока В.А. Крапивный и руководящие работники служб дороги В.В. Воронин, А.В. Шаталов, Г.В. Бокач, Е.И. Брылёв и многие другие.
Автор особо признателен А.И. Баткину за совместную работу над математическим и программным обеспечением систем оперативного управления и контроля в путевом хозяйстве и анализа выполнения графика движения поездов.
Для достижения поставленной цели в диссертации:
на основе системного подхода и формальной логики уточнены существующие и определены новые понятия, которые использовались при описании создаваемой методологии;
разработаны функциональная, информационная, событийная и математические модели проблемы проектирования комплексного развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов;
выбран метод, созданы методика и инструменты для решения задач проектирования комплексного развития региональной сети железных дорог.
В первой главе диссертации на основе существующих работ приводится классификация железнодорожных станций и узлов, дается характеристика особенностей их функционирования и развития. Рассматриваются их роль и значение в социально-экономическом развитии больших и малоосвоенных регионов, на примере Сибири и Дальнего Востока, с учетом специфики работы региональной сети железных дорог. Исследуется влияние последствий внедрения новых технологий перевозок и изменения облика и мощности станций и узлов на функционирование и развитие РСЖД и прилегающих территорий. Формулируются задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели исследования.
В первой главе также выполняется анализ существующих моделей и методов проектирования облика и мощности РСЖД. Формулируются основные понятия и определения, используемые в диссертации. Предлагается концепция проектирования комплексного развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов.
Во второй главе рассматриваются теоретические, методологические и практические вопросы построения системы информационного обеспечения проектирования комплексного развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов. Приводится описание её функциональной, информационной и событийной моделей, а также структуры программно-технического комплекса для проектирования развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов
В третьей главе предлагается математическая модель задачи формирования исходного множества проектных альтернатив комплексного развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов. Формулируются её содержательная и математическая постановки, приводится методика её решения.
В четвертой главе описывается методология формирования эффективной области проектных альтернатив комплексного развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов. Рассматривается технология работы ЛПР с областью эффективных альтернатив.
В заключении приводятся основные выводы по результатам настоящего исследования и предложения.
На защиту выносятся:
концепция проектирования комплексного развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов;
функциональная, информационная и событийная модели системы информационного обеспечения комплексного проектирования развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов;
методология формирования исходного множества проектных альтернатив комплексного развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов;
методология формирования эффективной области проектных альтернатив комплексного развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов, принятия на её основе оптимальных решений с последующим сопровождением и анализом их реализации.
Анализ существующих моделей и методов проектирования облика и мощности РСЖД
Проблема проектирования развития облика и мощности железнодорожной сети страны и её регионов связана с комплексным решением множества сложных вопросов. К ним относятся специфические задачи развития транспортной отрасли: моделирование работы сети и её элементов, взаимодействие с другими видами транспорта, наращивание мощности отдельных направлений, участков, узлов и станций сети, совершенствование технологических процессов, модернизация технических средств и подвижного состава, реконструкция постоянных устройств и сооружений, а также задачи социально-экономического развития территорий нашей страны: освоение и воспроизводство природных ресурсов, развитие производительных сил, улучшение социального положения населения, сохранение экологического равновесия в регионах. Перечисленные задачи многие десятилетия являются предметом изучения как отдельных ученых, так и научно-исследовательских и проектных институтов.
Все научные труды, связанные с проблемой развития транспортной сети, можно разделить на две группы: работы [1, 46, 55, 56, 77, 116, 143, 144, 151, 153, 154, 165, 171, 174, 175, 176, 180, 183, 201, 236, 238, 248, 252, 273] и другие, в которых указанная проблема решалась в условиях планового ведения народного хозяйства, и работы [58, 75, 106, 111, 112, 240, 243, 297, 299, 300], рассматривающие её решение в условиях рыночных отношений в экономике страны.
В бывшем СССР на основе научных трудов первой группы была создана глобальная методология решения вопросов наращивания мощности многовидовой ETC, которая предусматривала под началом Госплана, через Институт комплексных транспортных проблем (ИКТП) осуществление контактов всех ведомственных проектных и научно
исследовательских институтов, направленных на решение проблемы, в том числе и с учетом региональных аспектов [106].
По заданию Госплана СССР и МПС СССР проектными организациями Минтрансстроя и МПС при участии научно-исследовательских институтов разрабатывались схемы развития и размещения объектов железнодорожного транспорта на перспективу [75].
Схема развития и размещения объектов железнодорожного транспорта позволяла выявить перспективные новые или переустраиваемые объекты, по которым надлежало разработать технико-экономическое обоснование (ТЭО).
Утвержденное ТЭО давало возможность заказчику (МПС) совместно с генеральным проектировщиком приступить к разработке задания на проектирование, а накопленный теоретический и практический опыт проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог позволял проектным организациям успешно решать поставленные задачи [75].
Распад СССР, переход к рыночным отношениям в экономике страны привели к потере существовавшей схемы, приведенной выше. Это сделало невозможным использование для решения проблем развития транспортной системы в новых экономических условиях методологии, которая была разработана с учетом планового ведения народного хозяйства.
В связи с этим возникла необходимость переработки и модернизации данной методологии. К тому же бурное развитие информационных технологий открыло широкие возможности в их применении для решения сложных задач, связанных с большой размерностью проблемы комплексного развития транспортной системы, которая требует обработки и анализа колоссальных информационных массивов.
Учитывая, что предметом настоящего исследования является проблема проектирования комплексного развития региональной сети же 53 лезных дорог с учетом изменения облика и мощности станций и узлов, остановимся более подробно на работах, в которых рассматривается проблема развития железнодорожных сетей.
Одними из первых работ отечественных учёных, посвященных этому научному направлению, являются исследования Г.Н. Ковшова [143,144], Е.П.Нестерова [144], С.Б.Козловой [153,154]. Областью применения предложенных в этих работах математических моделей и методов являются простейшие полигоны сети железных дорог, к которым можно отнести параллельные направления, соединяющие два узла, и кольцевые полигоны, представляющие замкнутый контур многих звеньев.
В работах [171,174] В.Н.Лившиц рассмотрел общий случай задачи выбора путей развития магистральной транспортной сети, для решения которой предложил использовать приближенные методы оптимизации. По мнению В.Н. Лившица, математическая модель задачи требует отыскания экстремума невыпуклого функционала в пространстве достаточно большой размерности при наличии многих линейных и нелинейных ограничений, что с учетом динамического, а иногда и вероятностного аспектов, «вряд ли возможно с применением точных математических методов» [174]. Поэтому в работах [171,174] для решения задачи развития магистральной транспортной сети автором был разработан метод, который предусматривает декомпозицию динамической системы на ряд независимых статических сечений, соответствующих определенным моментам времени. Поиск решения на уровне статических сечений производится методом оптимального распределения перевозок по нелинейной транспортной сети и проведения реконструктивных мероприятий в пределах экономических зон целесообразности того или иного технического оснащения сети [174]. Полученные результаты статических расчетов затем увязываются в динамике.
Функциональная модель системы информационного обеспечения проектирования развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов
Функциональная . модель системы информационного обеспечения проектирования комплексного развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов, описывающая функции (процессы), выполняемые объектом моделирования, и информационные взаимосвязи между ними, представлена на рис. 2.6-2.18 в виде трёхуровневой иерархии диаграмм потоков данных.
На DFD первого уровня (рис. 2.6), построенной в соответствии с этапами научно-обоснованной инженерной подготовки производства, указанными в концепции проектирования комплексного развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов (см. п. 1.3), приведена структурная декомпозиция контекстного процесса «Проектирование изменения облика и мощности РСЖД и управление реализацией проекта». На диаграмме потоков данных (рис. 2.6) показаны следующие процессы проектирования комплексного развития РСЖД.
1. Мониторинг - комплекс наблюдений и исследований, определяющих: существующий облик РСЖД и её объектов; фактические показатели функционирования участков и станций РСЖД; показатели выполнения мероприятий по изменению облика и мощности РСЖД; потребность в перевозках и объемы инвестиционных ресурсов с учетом разных сценариев социально-экономического развития.
2. Формирование вариантов загрузки объектов РСЖД Гп(і) перевозками по годам расчетного периода Тр.
3. Анализ функционирования объектов РСЖД и выявление «узких мест», снижающих безопасность движения поездов, ограничивающих мощность и ухудшающих показатели эксплуатационной работы дорог, l входящих в РСЖД.
4. Формирование и оценка проектных альтернатив изменения облика и мощности РСЖД с учетом разных сценариев социально-экономического развития региона, определяющих варианты потребных размеров перевозок и объемов инвестиционных ресурсов по годам расчетного периода.
5. Формирование эффективной области проектных альтернатив изменения облика и мощности РСЖД путём разбиения основной задачи согласно трёхуровневой декомпозиции облика РСЖД на задачи объектного, магистрального и сетевого уровней, из решений которых синтезируется одно общее.
6. Управление реализацией проекта, которое включает в себя: планирование реализации принятой проектной альтернативы изменения облика и мощности РСЖД; организацию ресурсного обеспечения по финансам, времени, материалам и исполнителям работ; определение соответствия плана реализации мероприятий и исполнения проекта; анализ отклонений фактических показателей качества, стоимости и времени выполнения работ от запланированных с прогнозом их последствий на основе данных комплексного мониторинга показателей освоения объемов работ; корректировку плана реализации мероприятий; определение нормативных технико-эксплуатационных и экономических показателей работы объектов РСЖД с учетом реализации принятой проектной альтернативы.
Диаграммы потоков данных второго уровня структурной декомпозиции процессов проектирования развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов приведены на рис. 2.7 - 2.12, третьего уровня - на рис. 2.13-2.18.
Для большинства процессов, приведенных в функциональной модели системы информационного обеспечения, требуется дальнейшая их детализация с использованием DFD, но некоторые из них можно описать с помощью спецификаций процессов, например, функции «1.2.5. Расчет показателей работы объектов РСЖД по исполненному и нормативному графикам движения поездов» (см. рис. 2.14), «4.1.1. Назначение вариантов расположения на РСЖД сортировочных и участковых станций» (си. рис. 2.15), «4.2.5. Отбор мероприятий, стоимость которых не превышает объем привлеченных инвестиций» (см. рис. 2.16), «4.4.5. Формирование исходного множества проектных альтернатив изменения облика и мощности объектов РСЖД» (см. рис. 2.17), «4.5.5. Расчет показателей работы объектов РСЖД по вариантным графикам» (см. рис. 2.18) и другие, применив формальный компьютерный язык программирования высокого уровня.
Кроме этого, функциональную модель необходимо дополнить словарём данных, в котором описываются структуры входных и выходных потоков данных, приводятся точные определения их элементов и специфицируются значения и области действия элементарных потоков информации. Фрагмент словаря данных приведен в качестве примера в п. 2.1.
Математическая модель формирования проектных альтернатив развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов
В первой главе диссертации даны определения понятий «облик региональной сети железных дорог», «облик станций и узлов РСЖД», «облик станции (узла) РСЖД» и «облик участка РСЖД», в соответствии с которыми для описания РСЖД и её подсистем используются технические параметры объектов (участков работы локомотивных бригад, участковых и сортировочных станций), элементов (постоянных устройств и сооружений раздельных пунктов и перегонов) и характеристики способов и технологий их работы.
За основу параметрического описания РСЖД автором принята пространственно-параметрическая модель региональной сети железных дорог, предложенная B.C. Шварцфельдом в [297], которая в настоящем диссертационном исследовании модифицирована в трехуровневую модель и дополнена параметрами, позволяющими учесть особенности функционирования и развития станций и узлов, технологические параметры перевозочного процесса на магистралях и линиях региональной сети и надежность работы её объектов.
В параграфе 2.3 диссертации представлена модель данных системы информационного обеспечения проектирования развития РСЖД, в которой приведено математическое описание параметров участков работы локомотивных бригад, участковых и сортировочных станций, их совокупностей (железнодорожные звенья, узлы, магистрали и полигоны), способов и технологий их работы. Трехуровневая декомпозиция облика РСЖД, применённая при построении модели данных, и признаки, используемые для формирования совокупностей объектов: железнодорожных звеньев, узлов, линий, магистралей и полигонов сети железных дорог, позволяют осуществить агрегирование структуры РСЖД и показателей её функционирования и развития с различной степенью детализации.
Максимальная детализация описания облика РСЖД будет достигнута, если в качестве элементов будут приняты постоянные устройства и сооружения перегонов и раздельных пунктов.
Согласно модели данных системы информационного обеспечения проектирования развития РСЖД и теоретико-множественной модели РСЖД (3.1 —3.16) параметры для описания постоянных устройств и сооружений раздельных пунктов и перегонов представлены следующими подмножествами: Рвсп верхнее строение пути; Рзп - земляное полотно; Риссо - искусственные сооружения; Рэнс - устройства энергоснабжения; Рсцб — устройства сигнализации, централизации, блокировки (СЦБ) и связи; Ршг парки путей и стрелочные горловины; Рсорт - сортировочные горки и вытяжные пути; Ргпр - устройства для грузовой и пассажирской работы; Ррт - устройства для ремонта, технического обслуживания и экипировки подвижного состава.
Подмножества параметров по верхнему строению пути, земляному полотну и искусственным сооружениям приведены в моделях данных, разработанных B.C. Шварцфельдом в [297].
В связи с большим количеством параметров, характеризующих техническое состояние постоянных устройств и сооружений, для математического описания облика РСЖД выбраны только существенные (значимые) параметры для решения рассматриваемой проблемы f:Pz Z, (3.17) где Рг - подмножество параметров постоянных устройств и сооружений, от которых зависят критерии, используемые для формирования и оценки проектных альтернатив по изменению облика и мощности объектов РСЖД; Z — множество технико-эксплуатационных и экономических показателей, характеризующих цели функционирования и развития РСЖД.
Например, для расчета пропускной способности перегонов из подмножества параметров ВСП выбирают: тип ВСП, геометрические параметры плана и профиля рельсовой колеи, приведенный износ рельсов, типы стрелочных переводов и глухих пересечений, параметры потока полных и частичных отказов ВСП, ограничения скорости движения поездов из-за частичных отказов ВСП на перегонах и раздельных пунктах. Для назначения и оценки мероприятий по ремонту верхнего строения пути -тип ВСП, геометрические параметры плана и профиля рельсовой колеи, пропущенный тоннаж, приведенный износ рельсов, одиночный выход рельсов, количество негодных шпал (брусьев), загрязненность балласта, количество негодных скреплений, количество отступлений рельсовой колеи от нормативных значений.
Выбор метода решения задачи формирования эффективной области проектных альтернатив развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов
Для задачи формирования эффективной области проектных альтернатив развития РСЖД с учетом изменения облика и мощности станций и узлов в приведенной выше постановке характерны следующие свойства. 1. Большая размерность задачи. 2. Многокритериальность (сбалансированная система показателей). 3. Зависимость критериев от стохастических факторов (отказов в работе объектов РСЖД) 4. Зависимость критериев от времени.
Такого рода задачи относятся к многокритериальным недетерминированным динамическим задачам.
Многокритериальность задачи можно свести к последовательному решению однокритериальных задач посредством декомпозиции по критериям. С этой целью критерии, используемые в моделях для отбора конкурентоспособных альтернатив, упорядочиваются по важности, что определяет порядок их предпочтения при построении доминирующих последовательностей.
Зависимость критериев от стохастических факторов устанавливается на основе известных законов распределения отказов и технических параметров постоянных устройств и сооружений железной дороги, в соответствии с которыми для каждого года расчетного периода по элементам РСЖД определяются математические ожидания потерь времени хода на один грузовой поезд, используемые в предложенных автором математических моделях расчета показателей надежности функционирования объектов РСЖД.
При решении задач развития железнодорожных участков и станций с критериями, являющимися функциями времени, широко используется метод динамического программирования [1, 123, 132, 179, 180, 270], позволяющий осуществлять направленный последовательный перебор вариантов, который обязательно приводит к глобальному максимуму. Эффективность указанного метода для решения задач проектирования развития отдельных транспортных объектов подтверждена многолетним опытом его использования в проектной практике. Однако, применение данного метода в решении сетевых задач вызывает значительные трудности вычислительного характера, связанные с большой размерностью. Это обусловило необходимость разработки специальных методов как точных, так и приближенных, предназначенных для задач большой размерности. Большинство из этих методов использует идею декомпозиции, которая заключается в расчленении исходной задачи большой размерности, нахождении независимых решений для каждой из них и последующей увязке этих частных решений в общее решение исходной задачи. К таким методам относится обобщенный алгоритм Кеттеля [53], представляющий собой модифицированный метод динамического программирования, позволяющий решать задачи исследования операций, к которым и относится задача формирования эффективной области проектных альтернатив развития РСЖД, с использованием принципа декомпозиции. Использование данного метода для решения рассматриваемой задачи существенно сокращает число рассматриваемых вариантов, при этом формируется полное множество Парето-оптимальных решений, являющееся основой для выбора ЛПР оптимального комплексного плана развития региональной сети железных дорог с учетом изменения облика и мощности станций и узлов.
Таким образом, для решения задачи (4.1) - (4.22) применим алгоритм Кеттеля.
В проектировании железных дорог впервые широко применил данный метод А.В. Гавриленков. В работах [88,95] им была предложена методика решения задачи оптимальной реконструкции железнодорожных кривых для повышения скорости движения поездов с помощью указанного метода. Алгоритм Кеттеля был использован В.А. Копыленко в работе [161], где он предложил технико-экономическую модель задачи оптимального переустройства эксплуатируемой линии для повышения скорости поездов. Её отличие от аналогичной модели А.В. Гавриленкова заключается лишь в принципе деления линии на участки.
Автором диссертации алгоритм Кеттеля был использован для решения задачи увеличения пропускной способности железнодорожного направления с учетом надежности функционирования его элементов [19]. Основные определения [53], на которых базируется алгоритм Кеттеля, следующие.
