ВВЕДЕНИЕ

 

Интенсивное развитие производственных сил СССР, освоение природных месторождений, строительство и ввод в эксплуатацию крупных народно-хозяйственных объектов приводили к постоянному и значительному росту объемов перевозок. Это вызывало необходимость интенсивного технического прогресса на транспорте и этапного усиления мощности железных дорог.

Данная проблема занимала многие десятилетия умы ученых транспортных вузов, научно-исследовательских и проектных институтов страны. В процессе исследований сформировалось три школы: ИКТП (Б.С.Козин, И.Т.Козлов и др.), МИИТ (А.В. Горинов, А.И. Иоаннисян, А.П. Кондратченко, И.В. Турбин, А.В. Гавриленков и др.) и (А.М.Макарочкин, Ю.В. Дьяков и др.). Указанные школы разработали определенные методы и методологии [28, 42, 43, 44, 45, 60, 61, 67, 68, 77, 78, 106, 108], позволяющие решать широкий круг задач в области этапного увеличения мощности новых и реконструируемых железных дорог за счет проведения капиталоемких, рассосредоточенных в пространстве и времени глобальных мероприятий (электрификация, модернизация подвижного состава или СЦБ, строительство вторых путей и т.д.). В стране был отработан и действовал механизм решения задач данной проблемы.

В настоящее время, большинство железнодорожных магистралей России являются потенциально мощными двухпутными электрифицированными направлениями. Однако их фактическая провозная способность не соответствует расчетной и, как правило, имеет тенденцию к снижению. Это объясняется следующим факторами:

- старение основных фондов вызывает появление большого количества отказов в работе постоянных сооружений и устройств железной дороги и, как следствие, влияет на установление постоянно действующих и длительных ограничений скорости. Эти обстоятельства, в свою очередь, снижают пропускную и провозную способность. В тоже время, связанный с падением объемов перевозок дефицит финансов, необходимых на плановое проведение ремонтов пути и других сооружений и устройств дороги не позволяет в полном объеме и своевременно выполнять работы по ликвидации отказов.

- консервация сооружений и устройств дороги и даже ликвидация избыточных с точки зрения дороги объектов. Например, разборка приемо-отправочных путей, закрытие станций, сокращение парка локомотивов и т.д.

Возникающие, в связи с этим, проблемы технически и экономически эффективного управления мощностью железнодорожных направлений становятся особо актуальными особенно на фоне наметившегося в последнее время роста потребных объемов перевозок. Так, например, на ДВЖД за 1999г. объемы перевозок возросли почти на 30%.

В условиях перехода к рыночной экономике, обострения конкуренции между видами транспорта и дефицита финансовых ресурсов, основным решением возникшей проблемы является формирование и реализация комплексных планов мероприятий по улучшению технического состояния железнодорожных направлений и повышению экономической эффективности их работы. Методики формирования такого рода планов разработаны в рамках целевой комплексной программы "Прогресс", отраслевой научно-технической программы "Ускорение" и государственной научно-технической программы “Высокоскоростной экологически чистый транспорт”. Здесь следует отметить научные труды и особый вклад А.В. Гавриленкова, С.С. Жаброва, Г.Г. Иванова, И.В. Турбина, М.И. Карпова, В.А. Копыленко и других исследователей, трудами которых созданы указанные методики [29, 30, 107, 59, 77]. В качестве целей переустройства рассматривались сокращение времени хода движения поездов и повышение надежности работы направлений и участков железных дорог. Основное внимание при разработке таких планов переустройства уделялось локальным мероприятиям.

В современных экономических условиях проведение глобальных мероприятий, направленных на кардинальное усиление мощности возможно в качестве долговременной перспективной стратегии. В связи с этим, особое значение имеют мероприятия, которые можно осуществить на достаточно коротких подучастках железных дорог, в ограниченные сроки, получив при этом не только экономию эксплуатационных расходов, но и приемлемую окупаемость капитальных затрат. Примерами такого рода локализованных в пространстве и времени работ являются следующие:

- спрямление отдельных участков трассы;

- улучшение криволинейных участков плана или смягчение уклонов продольного профиля дороги для повышения скорости и плавности движения поездов;

- консервация отдельных сооружений и устройств (в связи с избыточной мощностью);

- ликвидация ограничений допускаемой скорости движения поездов;

- ликвидация предупреждений об ограничении скорости движения и т.д.

В работах исследователей указывалась необходимость более глубокого и детального планирования переустройства [29, 30, 107, 59, 77, 2, 7, 96, 108], т.е. планирования состава и сроков работ с увязкой по ресурсам, организации и технологии работ, а также с учетом ограничений по основным ресурсам и срокам. Как известно, основными требованиями, предъявляемыми к планированию переустройства, являются следующие:

- мероприятия должны быть спланированы во времени с безусловным учетом всех организационных, технологических, ресурсных и других существенных связей между ними, а также с учетом сезонности, допускаемых сроков и продолжительности выполнения мероприятий;

- план должен обеспечивать заданные уровни провозной и пропускной способности;

- план должен быть сформирован с учетом ограничений по выделяемым объемам ресурсов, капитальных вложений и мощностей исполнителей;

- план должен быть наилучшим по критериям технической и экономической эффективности.

Таким образом, реальный план переустройства должен быть разработан в виде рациональной совокупности мероприятий, упорядоченных в пространстве и времени и объединенных в целенаправленную систему посредством организационных, технологических, ресурсных и других существенных связей. Кроме этого, любой план переустройства, по своей сути, является инвестиционным проектом [80, 25]. Поэтому, критериями его оценки должны выступать показатели экономической эффективности, рекомендованные “Методическими рекомендациями по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования” [80], такие как: интегральный эффект, индекс рентабельности, норма рентабельности и срок окупаемости.

Актуальность работы. Актуальность диссертационного исследования обусловлена потребностью в едином подходе, информационно-математическом обеспечении и соответствующей информационной технологии для целей формирования экономически эффективного плана переустройства железнодорожного направления. В связи с этим работа посвящена созданию математической модели, метода расчета и базовых программных модулей информационной технологии планирования переустройства на основе логико-сетевого моделирования.

Разработка плана переустройства железнодорожного направления должна осуществляться с учетом: технологии работы железной дороги; сезонности, порядка, допускаемых сроков и продолжительности выполнения мероприятий; лимитов материалов, финансов и мощности подразделений, выполняющих работы и т.д. Таким образом, реальный план переустройства должен быть разработан в виде рациональной совокупности мероприятий, упорядоченных в пространстве и времени и объединенных в целенаправленную систему посредством организационных, технологических, ресурсных и других существенных связей. Наиболее адекватной моделью такого плана является календарный сетевой график. Все виды, существенных для целей планирования, связей между мероприятиями могут представляться как соответствующие бинарные отношения. Данные отношения задаются булевыми матрицами, что обеспечивает их единообразную и простую фиксацию в памяти компьютера и означает возможность автоматического формирования вариантов сетевого плана переустройства с учетом рассмотренных связей.

В связи с невозможностью формирования и оценки всех теоретически возможных вариантов календарного сетевого плана переустройства в работе ставится задачи их синтеза и параметрической оптимизации с применением ЭВМ по схеме последовательного анализа и отсева вариантов в сочетании с методом частичного перебора и структурной декомпозиции.

Цель работы состоит в создании методики и базового программного обеспечения календарного сетевого планирования экономически эффективного переустройства железнодорожного направления (на основе логико-сетевого моделирования). Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выбрать и обосновать критерии экономической эффективности для оценки планов переустройства железнодорожного направления;

- разработать математическую модель задачи формирования области экономически эффективных альтернатив переустройства железнодорожного направления в виде календарных сетевых планов, состоящих из совокупности локальных мероприятий;

- выбрать и обосновать методы структурного синтеза и параметрической оптимизации календарных сетевых планов переустройства железнодорожного направления;

- создать методику формирования области экономически эффективных календарных сетевых планов переустройства железнодорожного направления;

- разработать алгоритмы и базовые программы для эффективной реализации методики на практике;

- апробировать методику на конкретном примере.

Объектами исследования являются железнодорожное направление, возможные мероприятия по повышению экономической эффективности его работы, связи и отношения между данными мероприятиями, а также существующие методы и технология планирования переустройства.

Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа и исследования операций, математическая логика, теория выбора и принятия решений, теория графов, сетевого планирования и управления, а также современные средства вычислительной техники.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- планирование переустройства железнодорожного направления рассматривается как задача синтеза и параметрической оптимизации календарного сетевого плана мероприятий, объединенных в целенаправленную систему посредством организационных, ресурсных, технологических, временных и других существенных связей;

- разработана математическая модель задачи формирования плана переустройства, которая описывает все существенные связи и отношения между возможными мероприятиями в виде булевых матриц, что необходимо для автоматического (компьютерного) формирования плана работ. Для последовательного формирования структуры календарного плана предложено использовать “аддитивный” алгоритм (метод частичного перебора);

- созданы алгоритмы, базовые информационно-расчетные модули и методика формирования области экономически эффективных календарных сетевых планов мероприятий, работающие на основе схемы последовательного анализа и отсева вариантов в сочетании с методом частичного перебора и структурной декомпозиции.

Практическая ценность работы. Разработанная математическая модель, методика и базовые информационно-расчетные модули представляют основу для создания информационной технологии сетевого планирования экономически эффективного переустройства железнодорожных направлений. Содержащиеся в работе модули могут быть использованы при решении следующих задач:

- определение допускаемых скоростей движения поездов в кривых участках пути и их сопряжений с формированием приказа об установлении допускаемых скоростей по состоянию железнодорожного пути;

- расчеты потерь времени хода, топлива (электроэнергии) и эксплуатационных расходов от действия ограничений скорости;

- разработка и обоснование планов по улучшению или спрямлению трассы направления, повышению допускаемых скоростей и ликвидации предупреждений об ограничении скорости движения поездов;

- планирование и выбор мероприятий по модернизации подвижного состава, железнодорожного пути и других сооружений и устройств.

Достоверность научных результатов подтверждена практическим применением методики при разработке плана переустройства железнодорожного направления Архара-Владивосток (заказ Дальневосточной железной дороги).

На защиту выносятся:

- математическая постановка задачи формирования календарных сетевых планов переустройства железнодорожного направления;

- методика формирования области экономически эффективных календарных сетевых планов переустройства железнодорожного направления;

- алгоритмы и базовое программное обеспечение для реализации методики календарного сетевого планирования переустройства железнодорожного направления.

Реализация и апробация работы. Отдельные результаты работы использованы в 10 научно-исследовательских работах, выполненных по заданию Департамента управления перевозками МПС РФ, ВНИИЖТа, железных дорог России и проектных институтов Ленгипротранс и Гипротранссигналсвязь. Основными из них являются:

1. Разработка типовой интегрированной системы для решения задач организации и управления перевозочным процессом на базе проведения тяговых расчетов на ПЭВМ (Заказ ВНИИЖТ в 1995г. на основании Указания МПС N П-756у от 07.09.92 г.).

2. Внедрение и сопровождение типовой интегрированной системы тяговых расчетов ИСТРА ДВ на железных дорогах России (Заказ ВНИИЖТ в 1995г. на основании Указания МПС N П-756у от 07.09.92 г.).

3. Роль Байкало-Амурской железной дороги в освоении природных ресурсов Дальневосточного региона (Заказ Байкало-Амурской железной дороги для подготовки материалов на выездную коллегию МПС РФ, 1995г.).

4. Программный комплекс для решения задач организации и управления перевозочным процессом на базе тяговых расчетов с применением ПЭВМ (Заказ ВНИИЖТ, 1997г.).

5. Разработка автоматизированной системы планирования и управления мощностью железных дорог (Часть I. Разработка концепции, математических моделей и методов) (Отчет о фундаментальной НИР, ДВГУПС, 1998).

6. Поддержка внедрения и сопровождение программного комплекса для вариантных тягово-энергетических и экономических расчетов движения поездов в дорогах России (Заказ Департамента управления перевозками МПС РФ от 01.01.98г.).

7. Внедрение и сопровождение информационно-аналитической системы технико-экономических расчетов и вариантного анализа движения поездов в Департаменте управления перевозками и дорогах Центрального и Восточно-Сибирского регионов России (Заказ Департамента управления перевозками МПС РФ от 01.01.99г.).

Разработанные в диссертационном исследовании модули информационной технологии ПТЭР и СМИ доложены на школах передового опыта МПС РФ по автоматизации разработки графика движения поездов 1996 и 1997 годах. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на I международной научной конференции творческой молодежи (ДВГУПС, 1999г.), на семинаре секции “Математическое моделирование” при НИИ Компьютерных технологий ХГТУ (2000г.), на семинаре Вычислительного центра ДВО РАН (2000г.), на научно-практических конференциях ДВГУПС (1996-1998гг.), на научных семинарах Института транспортного строительства ДВГУПС (1997 и 1998гг.), а также на заседаниях кафедры “Инженерные изыскания и геодезия” ДВГУПС (1996-2000гг.). Отдельные разработки информационной технологии преподаются на курсах повышения квалификации работников железнодорожного транспорта в РАПС, а также в учебном процессе на факультете “Строительство железных дорог” ДВГУПС.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 статей.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы, включающего 117 наименований. Объем работы составляет 150 страниц, в том числе 21 рисунок и 29 таблиц.