Организация железнодорожных перевозок на основе информационных технологий

Рис. 2

Все множество заявок может быть разбито на подмножества, соответствующие заявкам на

а) перевозки внутри рассматриваемого полигона (местная работа),

б) перевозки из рассматриваемого полигона во вне (вывоз),

в) перевозки из вне на станцию рассматриваемого полигона (ввоз)

для заявок типа:

(а) i j - грузовые станции рассматриваемого полигона,

(б) i - грузовая станция рассматриваемого полигона,

j - «стыковая» станция,

(в) i - «стыковая» станция,

j - грузовая станция рассматриваемого полигона.

Кроме того, заявки могут быть классифицированы по признаку регулярности: заявка является разовой или регулярной, повторяющейся с какой-либо частотой.

3. Перемещение отправок (соответствующих выставленным заявкам на перевозку) по полигону от станции отправления до станции назначения будем отслеживать на графе, полученном из графа полигона путем его временной развертки.

Для примера рассмотрим полигон из 3-х станций.

Зададимся некоторым периодом планирования и разобьем его на интервалы дискретизации длительностью .

кратен .

Началу каждого интервала дискретизации соответствуют множество вершин, количеством равное количеству вершин исходного графа (рис.3).

4

Размещено на http://www.allbest.ru

4

Рис. 3. Ориентированный граф с элементами дискретизации

Вершины будем нумеровать двумя индексами (i,t),

i - номер вершины на исходного графа,

t- номер интервала дискретизации.

Вершины и соединяются дугой, если существует перегон между станциями и , и время хода по этому перегону равно . Такая дуга соответствует возможному отправлению поезда со станции на станцию , в момент начала дискретизации .

Кроме того, вводятся дуги ожидания - дуги, соединяющие вершины . Такие дуги соответствуют тому, что поезд (отправка) остается на станции i в течение интервала t.

На рис. 3 представлены четыре интервала дискретизации результирующего графа для одного направления. Горизонтальные дуги (дуги ожидания) - простой на станциях, остальные - перемещения по перегонам.

Полученный таким образом граф представляет собой некую заготовку, «сетку» для последующего формирования графика движения поездов. Из полученного графа следует исключить дуги, кроме дуг ожидания, соответствующие пропуску пассажирских поездов, грузовых транспортных (по отношению к рассматриваемому полигону) поездов, а также дуги, попадающие в технические окна.

4. Каждой дуге этого графа поставим в соответствии массив X размером, равным количеству вариантов реализации поступивших заявок на перевозку.

l-й элемент этого массива равен 1, если отправка, соответствующая заявке номер l, перемещается по этой дуге. В противоположном случае l-й элемент равен 0.

(7)

Необходимо найти массив X, который представляет собой, по сути, план твердого графика движения поездов.

Этот график должен обеспечить:

- доставку отправок на станции назначения в срок;

- доставку с максимальной скоростью;

- перевозку отправок поездами по возможности полновесными или полносоставными;

- доставку по возможности технологическими маршрутами (или с минимумом переработки).

В качестве целевой функции предлагается использовать минимум вагоночасов простоя вагонов инвентарного парка:

(9)

Выбор такой целевой функции обеспечит выполнения требований перевозки отправок технологическими маршрутами, по крайней мере, с минимумом переработки и с минимумом пробега.

Ограничения задачи можно записать следующим образом.

1. Поезда должны быть не тяжелее весовой нормы на данном перегоне:

для каждой дуги . (10)

2. Поезда должны быть не более нормы длины на данном перегоне:

для каждой дуги . (11)

3. Отправка должна быть доставлена в срок

для всех l. (12)

- время доставки l-ой отправки.

4. Отправка должна быть отправлена с ее станции отправления в заданный интервал:

для всех l. (13)

5. Отправка должна быть отправлена на соответствующую станцию назначения

для всех l. (14)

6. Нельзя отправить прибывшую отправку

для всех l. (15)

7. Наличие отправки после проследования перегона

для всех j,l,t; (16)

k=j или j?i_отпр; j?j_назн; t+T_kj?kt; T_ii=1 для всех i.

8. Отправка не может быть отправлена на станцию отправления

для всех l, i?i_отпр. (17)

9. Вес поезда должен быть не менее рекомендуемой нормы на данном перегоне

для всех i,j,t,k;i?j. (18)

В случае ввоза необходимо строго соблюдать время отправления со стыковых станций. Добавляется новое ограничение:

для всех l. (19)

В случае вывоза необходимо строго соблюдать время прибытия на стыковую станцию. Ограничение (13) примет вид:

для всех l. (20)

Приведенные ограничения были проверены экспериментально. Данные ограничения обеспечивают следование отправок в поездах определенного веса и строго от станции отправления до станции назначения.

Для реального полигона построенный таким образом граф будет содержать большое количество дуг и вершин, что приведет к большой размерности задачи оптимизации и, как следствие, к невозможности использования этой модели для решения задач оперативного управления перевозками.

Для уменьшения размера графа, предлагается использовать следующие способы:

1. Наиболее существенно на размеры графа влияет количество станций, включённых в исходный (не развернутый во времени) граф полигона. Поэтому в исходный граф следует включать лишь станции, на которых осуществляется погрузка и выгрузка (или станции отправления и назначения отправок); станции, на которых производится сортировка и формирование поездов. В этом случае элемент матрицы соответствует тому, что между станциями i и j существует маршрут следования, состоящий из одного или нескольких перегонов; элемент матрицы времен хода по перегону равен суммарному времени хода по перегонам маршрута с учетом времени стоянки поезда (без переработки) на станциях, лежащих на маршруте следований между станциями i и j.

2. На размер графа также влияет величина интервала дискретизации . Увеличение этого интервала позволит существенно уменьшить размер развернутого графа и, следовательно, объем вычислительной работы. Величину этого интервала следует выбирать в каждом конкретном случае из практических соображений.

3. Уменьшить количество дуг развернутого графа можно также и за счёт исключения из графа дуг ожидания, соответствующих простоям отправок на станциях в ожидании отправления с поездом, где эти простои невозможны технически или нежелательны.

Нахождение оптимального массива X сводится к решению задачи линейного программирования.

Реальный график движения предлагается строить в несколько этапов по следующей схеме.

Сначала решается задача для подмножества заявок, включающего в себя регулярные заявки на ввоз. При этом в систему ограничений включается дополнительное ограничение - жёсткое время отправления. Это необходимо потому, что реально погрузка не производится, а поезд принимается на стыковую станцию с соседнего полигона. Следующим этапом решается задача для подмножества заявок, включающего в себя «регулярные» заявки на перевозку на дальние расстояния (вывоз). Результатом решения будет график движения поездов, следующих на границы рассматриваемого полигона. Будут известны времена включения отправок, соответствующих этим заявкам, в поезда с грузовых станций. К этому времени должна быть закончена погрузка.

Следующим этапом должна решаться задача обеспечения погрузки порожними вагонами. Эта задача может быть решена одним из известных способов. При этом следует учитывать возможность дополнения порожними вагонами неполносоставных поездов, следующих по ниткам графика, проложенным на предыдущих этапах.

Таким же образом строится график для регулярных местных заявок и решается задача обеспечения погрузки порожним вагонами.

В последнюю очередь строится график для нерегулярных заявок.

Такая поэтапная схема построения твердого графика движения позволяет существенно сократить размерность задачи линейного программирования. Кроме того, позволяет, изменяя систему ограничений, строить графики, отвечающие каким-либо дополнительным требованиям.

Работа по принципу целевого управления перевозочным процессом в обозримой перспективе способна значительно улучшить все показатели железнодорожного транспорта и увеличить доходы компании ОАО «РЖД».

В Главе 4 показаны пути развития системы управления вагонопотоками в условиях внедрения «твёрдых ниток» графика движения поездов.

В новых экономических условиях грузоотправителю должна быть представлена возможность «заказа» скорости доставки, маршрута пропуска вагона с грузом. Вместе с тем, железным дорогам приходится учитывать значительно возросшую финансовую ответственность за нарушение сроков доставки, поэтому при разработке плана формирования следует также учитывать доходность перевозок от разных грузов. Возможности информационных технологий и вычислительной сети позволяют сегодня реализовать составление для сети железных дорог плана формирования, основанного на заявках клиентуры и нацеленного на работу по твёрдому графику движения поездов с оптимальным использованием его параметров.

Дальнейшим развитием плана формирования грузовых поездов в современных условиях следует считать концентрацию переработки вагонов на наиболее технически оснащенных станциях; увеличение транзитности вагонопотоков на удлиненных участках обращения локомотивов; совершенствование методики для расчета плана формирования, учитывающей особенности рыночной экономики.

Существующие методики составления плана формирования грузовых поездов нуждаются в качественном преобразовании. В значительной степени этому может содействовать использование приемов логистики, позволяющих осуществить поставку грузов «точно в срок» с выбором оптимальных маршрутов следования. В условиях твердого графика необходимо решение проблем повышения достоверности расчётных вагонопотоков с использованием интегрированной обработки дорожных ведомостей (ИОДВ) по прибытии. Это позволит более точно учитывать динамику и особенности фактически выполненных перевозок.

В условиях внедрения «твёрдых ниток» графика корректировка размеров вагонопотока будет заключаться в своевременном управлении погрузкой для обеспечения полновесности (полносоставности) выделенных ниток графика.

Переход к организации движения по «твёрдым ниткам» графика должен осуществляться поэтапно в силу новизны предлагаемой технологии и некоторых рисков изменения существующей технологии.

Этап 1. Использование действующего ПФ при расчёте твёрдого графика движения поездов (за счёт совершенствования оперативного планирования).

Этап 2. Скорректированный план формирования с целью ускорения продвижения вагонопотоков, уменьшения числа переработок за счёт учёта оперативной ситуации в определении целесообразности тех или иных назначений и сокращения простоя вагонов под накоплением на станциях.

Этап 3. Частичный твёрдый график. Определено целесообразное число «твёрдых ниток». Вагонопотоки, реализуемые в соответствии с планом формирования и не входящие в план твёрдого графика, составляют резерв для обеспечения продвижения вагонопотоков, возникающих в результате неравномерности погрузки.

Этап 4. Все нитки графика - «твёрдые». Обеспечение всех ниток графика вагонами осуществляется за счёт небольших отправок, отправок, поступающих в течение декады, или передачи вагонопотока отдельных «твёрдых ниток» на другие «твёрдые нитки» графика.

Такие решения обеспечивают: ускорение продвижения грузов, рост маршрутной скорости, сокращение объёмов сортировочной работы, что приведёт к уменьшению числа сортировочных станций и снижению себестоимости железнодорожных перевозок.

В Главе 5 разработаны и предложены основы технологии местной работы в условиях создания ЦУМР, что обеспечивает сокращение простоев вагонов в пунктах погрузки и в целом снижение оборота вагона.

Внедрение твёрдого графика движения участковых, сборных, вывозных, передаточных поездов и использование диспетчерских локомотивов предусматривает равномерное поступление вагонов под выгрузку по периодам суток на станции назначения, что достигается отправлением сборных поездов через определенные интервалы. Результаты внедрения показали, что применение твердого графика ускорило доставку местного груза на станции участков на 4…5 часов.

Новая технология организации местной работы в условиях ДЦУП строится на следующих принципах. Формируются динамические массивы для решения оптимизационных задач управления местной работой. Формируется база данных НСИ. Оптимизация маневровой работы на промежуточных станциях предусматривает формирование подач, подобранных по фронтам и специализированным вагоно-местам. На основе моделирования производственных процессов по оперативно рассчитываемым нормам проводится слежение за выполнением всех операций с вагонами и прогнозируется время их окончания.

Расчёты и практическая проверка показывают, что за счёт ускорения формирования сборных поездов на технических станциях и ускорения маневровой работы на промежуточных станциях участковая скорость сборных поездов увеличивается, а время на маневровую работу сокращается не менее, чем на 3-5%.

Математическая модель расчета прикрепления отцепов к «твёрдым ниткам» графика выглядит следующим образом.

Для описания прикрепления отцепов на «твёрдые нитки» графика вводятся булевые переменные:

Причём где - количество отцепов (в сумме на всех станциях), - количество «твёрдых ниток», реализуемых за период планирования.

Совокупность таких булевых переменных представляет собой план прикрепления вагонов к ниткам графика.

В качестве целевой функции предлагается использовать максимум реализованных «твёрдых ниток» грузовых поездов (максимум полновесных или полносоставных ниток):

(21)

где - индикатор (принимает значение 1, если условие A реализуется, или 0 - в противном случае);

- длина отцепа n, м;

- норма длины состава, отправляемого по нитке l, м;

- вес брутто отцепа n, т;

- норма веса состава, отправляемого по нитке l, т.

Строгое выполнение условий полновесности и полносоставности отправляемых поездов в целевой функции (21) затруднительно, поэтому условия полновесности и полносоставности запишутся следующим образом:

и ,

где (т), (м) - минимальные и максимальные границы интервалов веса и длины соответственно для полновесных и полносоставных поездов.

Ограничения задачи можно записать следующим образом.

1. Отправка должна быть доставлена в срок

для всех n, (22)

где - срок доставки, который гарантируется при отправлении вагонов по нитке l, сут;

- нормативный срок доставки отцепа n, сут.

2. Вагоны должны быть отправлены не ранее срока их готовности к отправлению:

для всех n, (23)

где - время отправления поезда по нитке l;

- предполагаемое время готовности отцепа n к отправлению.

3. Вагоны должны быть отправлены по нитке с определённым назначением (соблюдение плана формирования):

для всех n, (24)

где - подмассив ниток, по которым допустимо отправление отцепа n по плану формирования.

4. Все нитки обеспечены локомотивами и бригадами

, (25)

где - индикатор, определяющий реализуется ли «твёрдая нитка» l;

- количество бригад и локомотивов соответственно.

В Главе 6 рассмотрены методы моделирования поездной работы на участках и станциях в качестве проверки возможности реализации рассчитанного твёрдого графика, методы управления движением поездов на направлениях и полигонах, необходимость разработки технологии, увязывающей перевозочный процесс в единое целое на основе организации движения по «твёрдым ниткам» графика.

Переход на подекадное планирование поездной работы на участках и направлениях на основе твёрдого графика предопределяет разработку прогнозных моделей и многокритериального нормирования технологических процессов. Практика внедрения задач оперативного прогнозирования показала, что только многофакторные, самокорректирующиеся, самоорганизующиеся и самообучающиеся методы отвечают требованиям пользователей и структур, обеспечивающих сопровождение задачи.

Разработана технология оперативного планирования на железных дорогах в условиях ЦУП и ДЦУП. Для условий организации перевозок на основе «твёрдых ниток» графика разработаны приемы оперативного планирования и управления движением поездов.

Разработана технология автоматизированного сменно-суточного планирования при внедрении информационных технологий на базе центров управления перевозками, выполняющая решение следующих задач:

- оперативное управление погрузкой с целью обеспечения полновесности и полносоставности «твердых ниток» графика;

- регулирование и оптимизация распределения порожних вагонов в условиях минимального порожнего пробега.

Схема функционирования задачи привязки образующихся погрузочных ресурсов к станциям погрузки сводится к следующему.

При жёсткой привязке к моментам , ; ; ; , т.е. когда опоздания порожних вагонов к нужному сроку недопустимы, оптимальная задача формулируется следующим образом:

(26)

при ограничениях

 (27)

(28)

где - потери на один порожний вагон при его транспортировке от i-й станции выгрузки (момент его образования ) к j-й станции погрузки к моменту потребности в порожних вагонах );

- вагоно-часы простоя на станции отправления.

Ограничения определяют стандартную транспортную задачу.

Использование принципов организации поездной работы при наличии информационных компьютерных сетей, создание программного комплекса позволит решить задачу оптимизации прикрепления имеющихся порожних вагонов, контейнеров и погрузочных ресурсов, образующихся после выгрузки к пунктам предстоящей новой погрузки, с учетом минимума порожнего пробега.

Для решения задачи обеспечения полновесности и полносоставности «твердых ниток» графика предлагается использовать идею метода динамической оптимизации - сведение задачи распределения вагонов с учетом фактора времени к задаче линейного программирования. Задача решается для каждой станции назначения. Для нее делается выборка из массива отправок (отправка должна следовать на данную станцию) и выборка из массива неполновесных и неполносоставных ниток (поезд на данной станции должен поступать в расформирование). Далее рассматривается задача для одной станции назначения поездов, следующих по «твёрдым ниткам» графика.