Первоочередное значение при оптимизации параметров элементов транспортно-технологических систем железнодорожного транспорта приобретают принципы, в основе которых лежат экономические требования, а именно: максимально возможная экономия материально-технических, топливно-энергетических и людских ресурсов при безусловном и качественном выполнении перевозок грузов и пассажиров. В связи с этим возникает потребность в более экономичной и прогрессивной технологии перевозок, соответствующей требованиям рынка.
Железнодорожный транспорт России, осуществляя основные объемы грузоперевозок и до половины пассажирооборота, является одним из крупнейших потребителей энергетических ресурсов. Доля электропотребления железнодорожного транспорта от общего потребления по стране составляет 5.8%. Так, на нужды железных дорог России в 2003 году израсходовано 40.9 млрд. кВт-ч, из них на электротягу 83.5% [36].
Доля эксплуатационных расходов на перевозки, связанная с потреблением электроэнергии, в настоящее время составляет порядка 11.2% от общих эксплуатационных расходов железных дорог, при этом основную долю затрат на топливно-энергетические ресурсы составляют расходы на тягу поездов -72.2%. Научно-техническим советом ОАО «Российские железные дороги» была принята программа «Энергетическая стратегия ОАО „Российские железные дороги“ на период до 2010 и на перспективу до 2020 года». Одной из основных целей, сформулированных в программе, является «сокращение энергоемкости перевозочного процесса и удельных затрат на энергопотребление во всех сферах деятельности железнодорожного транспорта» (тяга, инфраструктура, эксплуатация, ремонт, производство, социальная сфера) [82].
С учетом сложившейся ситуации, в настоящее время на первый план при нормировании эксплуатационной деятельности железных дорог выходят экономические требования, в частности: максимально возможная экономия материально-технических, топливно-энергетических и людских ресурсов при безусловном и качественном выполнении перевозок грузов и пассажиров. В связи с этим возникает потребность в более экономичной и прогрессивной технологии перевозок, соответствующей требованиям рынка.
Решение поставленной задачи неразрывно связано с проблемой разработки рационального графика движения поездов, который является основой всего перевозочного процесса и определяет основные параметры функционирования железнодорожного транспорта. При расчете нормативов графика уже недостаточно ориентироваться только на максимальное использование пропускной способности и достижение высокого уровня эксплуатационных показателей (участковой и маршрутной скоростей, среднесуточного пробега локомотивов, сокращения простоя местных вагонов). Одним из основных факторов оказываются суммарные эксплуатационные расходы железных дорог, обусловленные выполнением заданного объема перевозок.
Новая система критериев оценки качества перевозочного процесса тесно связана с необходимостью повышения конкурентоспособности железнодорожного транспорта и доходности перевозок, которая может быть существенно увеличена за счет рациональной корректировки ряда эксплуатационных нормативов. Основа необходимых изменений — технико-экономическая оценка соотношения расходов и доходов железных дорог, получаемых при реализации различных вариантов значений нормативов эксплуатационной работы, с учетом технологических процессов, протекающих на различных этапах перевозочного процесса.
В современных условиях выявлена тенденция сокращения эксплуатационных расходов по пробегу поездов, и в том числе затрат электроэнергии, за счет применения экономичных режимов ведения грузовых поездов1 [35, 66]. От выбора режима ведения зависит время хода грузового поезда по перегонам как одного из основных нормативов графика движения поездов. Следователь.
1 В диссертации под режимом ведения поезда понимается вектор управления движением поезда, то есть упорядоченная последовательность действий машиниста по выбору режима движения (холостой ход, тяга, торможение, позиция контроллера в режиме тяги). но, при расчете нормативных значений времен хода грузовых поездов по перегонам необходимо учитывать эксплуатационные расходы на передвижение поездов.
Вышеизложенное указывает на то, что в настоящее время задача определения времен хода грузовых поездов по перегонам по критерию минимума эксплуатационных расходов с учетом оптимальных режимов ведения поездов имеет важное значение для железнодорожного транспорта.
Такие факторы, как непрерывно растущие цены на энергоносители, необходимость внедрения ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте, а также разработки новых, экономически эффективных способов организации перевозочного процесса создает потребность в реализации нового подхода к расчету нормативных элементов графика движения поездов, в частности, перегонных времен хода, на основе критериев, в достаточной степени учитывающих эксплуатационные расходы на перевозки, что указывает на актуальность темы диссертационной работы.
Объектом исследования в диссертации является грузовой поезд в процессе перемещения по перегону и участку.
Предмет исследования — результирующие показатели процесса перемещения поезда по перегону (эксплуатационные расходы, время хода и другие), при реализации различных вариантов технологии вождения поездов.
Целью диссертационной работы является разработка методики расчета перегонных времен хода на основе оптимизации режимов ведения грузовых поездов по критерию минимума эксплуатационных расходов по пробегу.
Для достижения данной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:
1) выполнен анализ современного состояния теории и практики оптимизации режимов ведения грузовых поездов;
2) предложены новые принципы расчета эксплуатационных расходов по пробегу грузового поезда, основанные на комплексном использовании теории тяговых расчетов в поездной работе и системы единичных норм расходов;
3) разработана методика оптимизации технологии вождения грузовых поездов по перегонам и участкам по критерию минимума эксплуатационных расходов по пробегу;
4) выполнены технико-экономические расчеты по оценке влияния режимов ведения на суммарные эксплуатационные расходы по пробегу грузовых поездов на примере реальных участков Западно-Сибирской и Забайкальской железных дорог;
5) разработана методика определения оптимальных времен хода грузовых поездов по перегонам с учетом структуры грузового поездопото-ка и ограничений пропускной способности участка.
Методологическую и теоретическую основу исследований, выполненных в диссертации, составляют положения теории тяговых расчетов, теории вероятностей и математической статистики, методы имитационного моделирования и динамического программирования.
При выполнении диссертационных исследований использовались труды отечественных и иностранных ученых, посвященные исследованию задач оптимизации траектории движения поезда, анализу возможных режимов управления и влияния различных факторов на затраты электроэнергии: Бородина А. Ф., Баранова JI.A., Ерофеева Е. В., Головичера Я. М., Костромина A.M., Феоктистова В. П., Осипова С. И., Плакса А. В., Бакланова А. А., Цукало В. П., Кельпериса П. И., Мугинштейна JI.A., Федорова Н. Е., Чиркова В. К., Нехаева В. А., Раскина В. В., Кейзера А. П., Горбачева А. Н., Тимошека И. Н., Франко ди Майо, Френка М., Скивы Л., Винклера А. и других, а также работы, посвященные расчету отдельных нормативов графика движения поездов, в частности перегонных времен хода: Щегловитова В. Н., Фролова А. Н., Гордеенко П. Я., Васильева И. И., Воробьева Н. А., Каретникова А. Д., Кочнева Ф. П., Максимовича Б. М., Пейсахзона Б. Э., Угрюмова А. К., Тишкина Е. М., Чернюгова А. Д.,.
Сотникова И.Б., Тихонова К. К., Рурка А. О., Гранквиста В. В., Бернгарда К. А.,.
Повороженко В.В., Тулупова Л. А., Харитонова А. В. и других.
Информационная база диссертационной работы:
1) диссертационные исследования и авторефераты диссертаций по тематике, связанной с совершенствованием графика движения поездов, тягового обслуживания и организации поездной работыкниги и научные статьи, материалы научно-практических и научно-технических конференцийсборники научных трудов и статейматериалы зарубежной научной печати;
2) нормативные и справочные данные действующих Правил тяговых расчетов для поездной работы;
3) реальные характеристики перегонов и участков Западно-Сибирской и Забайкальской железных дорог, данные о средствах и способах тягового обслуживания грузового движения, структуре грузовых поез-допотоков, значения единичных норм расходов на измерители поездной работы;
4) результаты собственных ранее выполненных исследований.
Наиболее существенные научные результаты, полученные лично соискателем, заключаются в следующем:
1) разработана методика, алгоритмы и программное обеспечение для расчета оптимальных перегонных времен хода грузовых поездов, минимизирующих эксплуатационные расходы по пробегу, с учетом структуры грузового поездопотока (с. 108);
2) сформулирована задача перераспределения фиксированного запаса участкового времени хода по перегонам участка с ограничением пропускной способности с целью сокращения суммарных расходов на передвижение поездов, разработана методика и алгоритмы для выполнения соответствующих расчетов (с. 123). щем:
Научная новизна диссертационного исследования состоит в следую.
1) предложены новые принципы расчета суммарных эксплуатационных расходов по пробегу грузового поезда по перегонам, основанные на имитационном моделировании движения поезда с использованием тяговых расчетов и системы единичных норм расходов (ЕНР) на измерители поездной работы;
2) разработана методика оптимизации режимов ведения грузового поезда по перегону, основанная на имитационном моделировании движения поезда, отличающаяся от существующих реализацией методов интерактивного виртуального управления локомотивом с применением различных режимов тяги, а также выбега и торможения;
3) на примере реальных участков железных дорог впервые получены зависимости суммарных эксплуатационных расходов по пробегу поезда от режимов движения, используемых при прохождении перегонов участка, а также от перегонных времен хода.
Практическая ценность диссертации состоит в следующем:
1) разработанная методика и программное обеспечение для определения оптимальных перегонных времен хода по критерию суммарных эксплуатационных расходов по пробегу могут использоваться при расчете и корректировке нормативов ГДП, в том числе на малодеятельных линиях, а также участках, имеющих резерв пропускной способности, с целью сокращения расходов, связанных с их эксплуатацией;
2) предложенная методика оптимизации режимов ведения грузовых поездов по перегонам может использоваться при составлении режимных карт движения поездов для участков железных дорог, а в дальнейшем — для создания базы данных оптимальных режимов движения для автоматизированных систем управления движением поездных локомотивов;
3) зависимости эксплуатационных расходов по пробегу от перегонных времен хода могут использоваться для выполнения технико-экономических расчетов по оценке целесообразности выделения в графике движения категорий поездов с меньшим временем, но большими эксплуатационными расходами на передвижение по участкам.
Диссертационная работа была рассмотрена в службах перевозок Западно-Сибирской и Забайкальской железных дорог, филиалов ОАО «РЖД». Рекомендации по оптимизации режимов ведения грузовых поездов использованы при составлении режимных карт на участках «Инская — Алтайская» Западно-Сибирской железной дороги и на участках «Чита — Могзон», «МогзонХилок» Забайкальской железной дороги.
Основные результаты диссертационной работы изложены в четырех статьях и докладывались на трех межвузовских научно-практических конференциях «Интеллектуальный потенциал Сибири» (1998;2000 гг.) и научно-технической конференции «Наука и молодежь XXI века» (2002 г.).
На защиту выносятся следующие основные положения:
1) принципы расчета эксплуатационных расходов по пробегу грузового поезда, основанные на использовании тяговых расчетов и системы единичных норм расходов;
2) методика оптимизации режимов ведения грузовых поездов по критерию минимума суммарных эксплуатационных расходов по пробегу;
3) результаты оценки влияния режимов ведения грузовых поездов на эксплуатационные расходы по пробегу;
4) методика определения оптимальных времен хода грузовых поездов по перегонам с учетом структуры грузового поездопотока и ограничений пропускной способности.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и трех приложений, содержит 28 рисунков и 21 таблицу.
Выводы по главе:
1. Разработана новая методика определения нормативных времен хода грузовых поездов по перегонам и участкам, обеспечивающая минимизацию суммарных эксплуатационных расходов по пробегу поездов, с учетом неоднородности структуры грузового поездопо-тока по массе. Методика основана на имитационном моделировании движения поездов по перегонам, с последующей аппроксимацией зависимостей расходов по пробегу от времени хода и выводе суммарного полинома третьей степени, описывающего зависимость эксплуатационных расходов от времени хода поезда унифицированной массы.
2. С целью проверки эффективности предложенной методики выполнены экспериментальные расчеты для участка «Московка-Называевская» Западно-Сибирской железной дороги. Экономия эксплуатационных расходов при движении одного поезда по участку при реализации времени хода, рассчитанного при помощи разработанной методики, составила 425.78 рублей, что на 4,9% меньше по сравнению с вариантом времени хода, заложенным в графике движения поездов.
3. Расчетами установлено, что сокращение эксплуатационных расходов по пробегу поездов зачастую связано с необходимостью увеличения времен хода поезда по перегонам участков. В связи с этим в диссертации была поставлена задача учета влияния мероприятий, оптимизирующих эксплуатационные расходы, на пропускную способность железнодорожных участков.
4. Предложено при наличии значительного резерва пропускной способности участка рассчитывать и реализовывать оптимальные перегонные времена хода для всех категорий грузовых поездов, а при высоком использовании наличной пропускной способности выполнять перераспределение фиксированного запаса участкового времени хода между перегонами с целью достижения минимальных возможных эксплуатационных расходов по пробегу поездов по участку в пределах установленного участкового времени хода.
5. Разработана новая методика, алгоритм и программное обеспечение для перераспределения заданного участкового времени хода между перегонами на основе метода динамического программирования в постановке задачи распределения ресурсов. Методика позволяет определять субоптимальные перегонные времена хода для любых значений участкового времени хода, не превышающих заданное, обеспечивая сокращение эксплуатационных расходов по пробегу поездов по участку без снижения пропускной способности участка, технической и участковой скорости.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В современных условиях работы транспортно-технологических систем железнодорожного транспорта все большее значение приобретают задачи снижения эксплуатационных расходов, улучшения показателей использования подвижного состава, увеличения конкурентоспособности железнодорожных перевозок. Принятая научно-техническим советом ОАО «Российские железные дороги» программа «Энергетическая стратегия ОАО „Российские железные дороги“ на период до 2010 и на перспективу до 2020 года» предусматривает широкий комплекс мероприятий, направленных на сокращение энергетической составляющей эксплуатационных расходов на перевозки. В качестве одной из основных целей заявлено снижение энергоемкости перевозочного процесса и удельных затрат на энергопотребление во всех сферах деятельности железнодорожного транспорта.
В качестве основного направления диссертационных исследований выбрана задача сокращения эксплуатационных расходов по пробегу поездов на основе оптимизации технологии вождения грузовых поездов по участкам и перегонам. Это направление является достаточно перспективным и может рассматриваться в рамках текущей оптимизации эксплуатационной работы. При реализации мероприятий по снижению эксплуатационных расходов по пробегу поездов при наличии соответствующих методик расчета может быть обеспечен существенный экономический эффект без значительных капиталовложений, при этом необходимые управленческие решения являются достаточно быстродействующими, поскольку их использование связано с повышением эффективности использования уже имеющихся ресурсов (тягового подвижного состава, пути, системы энергоснабжения).
Одним из основных факторов, сдерживающих реализацию мероприятий по оптимизации движения грузовых поездов на основе сокращения эксплуатационных расходов до настоящего времени являлось отсутствие методик оценки влияния режимов ведения и времени хода поезда по перегонам и участкам на суммарные эксплуатационные расходы по пробегу. Отсутствие таких методик не позволяет адекватно учитывать составляющую эксплуатационных расходов на продвижение грузовых поездов по участкам при оценке качества организации движения. Без детального рассмотрения эксплуатационных расходов по пробегу практически нерешаемой оказывается задача комплексной технико-экономической оценки вариантов разрабатываемого графика движения поездов на основе сопоставления эксплуатационных расходов, связанных со всеми этапами перевозочного процесса, а также доходов, получаемых при различных вариантах организации грузового движения. Сложившаяся ситуация обусловила актуальность выбранного в диссертационной работе направления исследований, а также определила перечень решаемых задач и основные методы исследования.
Для оценки оптимальности режимов ведения поезда в диссертации использовался комплексный критерий — минимум суммарных эксплуатационных расходов по пробегу, в который включались энергетические, пробеж-ные и временные показатели. Использование такого критерия позволило производить оценку показателей, характеризующих процесс движения грузового поезда по перегонам и участкам, на единой экономической основе.
Основным исследовательским методом было выбрано имитационное моделирование движения поезда на основе тяговых расчетов и виртуального управления режимами движения.
На основании результатов выполненного диссертационного исследования получены следующие выводы и рекомендации:
1) Для решения задачи оптимизации технологии вождения грузовых поездов по перегонам и участкам требуется комплекс новых методик для оценки влияния различных факторов (в том числе, перегонных времен хода) на эксплуатационные расходы по пробегу поездов, которые целесообразно рассматривать в качестве одного из основных критериев при расчете перегонных времен хода.
2) Расчет эксплуатационных расходов по пробегу грузовых поездов может выполняться с использованием системы ЕНР, при этом обеспечивается наиболее полный учет всех существенных параметров, влияющих на величину этих расходов, применяя для определения значений измерителей имитационное моделирование движения поезда и тяговые расчеты.
3) Разработаны алгоритм и программное обеспечение для имитационного моделирования движения поезда по перегонам с применением различных режимов движения на основе теории тяговых расчетов и методов виртуального управленияпредложена методика оптимизации режимов ведения грузовых поездов по критерию минимума расходов по пробегу.
4) Выполнены исследования для реальных участков железных дорог, которые показали, что с помощью предложенной методики расчетов эксплуатационных расходов и методов оптимизации режимов вождения поездов можно обеспечить сокращение расходов по пробегу грузовых поездов на 5 — 6%, расходов на электроэнергию — на 12−18%.
5) Разработана методика определения оптимальных времен хода грузовых поездов по перегонам и участкам, основанная на применении имитационной модели движения поезда и методов оптимизации режимов ведения, обеспечивающая минимизацию суммарных эксплуатационных расходов по пробегу поездов, с учетом неоднородности структуры грузового поездопотока по массе и ограничений пропускной способности участка. Результаты экспериментальной проверки для участка «Московка-Называевская» Зап.-Сиб. ж.д. показали, что экономия эксплуатационных расходов при движении одного поезда по участку при реализации времени хода, рассчитанного при помощи разработанной методики, составила 5% по сравнению с вариантом времени хода, заложенным в ГДП.
6) Предложено при наличии значительного резерва пропускной способности участка реализовывать оптимальные перегонные времена хода для всех категорий грузовых поездов. Так, например, оптимизация времен хода грузовых поездов на малодеятельных линиях с использованием предлагаемой методики обеспечит сокращение расходов по их эксплуатации на 16 — 23 млн руб. в год.
7) При высоком использовании наличной пропускной способности предложено перераспределять заданное участковое время хода между перегонами с целью достижения минимальных возможных эксплуатационных расходов по пробегу поездов по участку в пределах установленного участкового времени хода, для чего разработаны соответствующие методика, алгоритмы и программное обеспечение.
Одним из перспективных направлений использования результатов диссертационной работы является переход к комплексной оптимизации графика движения поездов на основе главного экономического критерия — доходов от перевозок. При этом поезда делятся на различные категории по сроку доставки, а оптимальные скорости движения поездов по участкам определяются сравнением доходов, получаемых от перевозки груза поездом данной категории (которые зависят от срока доставки и соответствующих тарифов), и расходов, связанных с продвижением поезда по участкам. При этом перегонные и участковые времена хода следует рассматривать в качестве ограничений по следующим направлениям:
— ограничение по сроку доставки — для грузов, требующих ускоренного продвижения (скоропортящиеся грузы, военные и гуманитарные грузы и т. п.);
— ограничения по пропускной способности участков и линий — для участков и линий с интенсивными размерами движения и высокой степенью заполнения наличной пропускной способности;
— ограничения по перевозочным ресурсам — на уровне отделений, дорог и сети, с учетом возможности увеличения потребного парка вагонов и локомотивов.
Реализация новых принципов разработки графика движения поездов потребует решения целого ряда самостоятельных сложных задач, связанных с учетом особенностей организации перевозочного процесса в целом и технологии работы отдельных элементов транспортно-технологических систем, обеспечивающих непосредственное выполнение перевозок. Прежде всего, необходимо будет разработать теоретические принципы оптимизации графика движения в увязке с планом формирования и с учетом вышеприведенных, а также других ограничений. В частности, необходимо будет разработать методику выбора оптимальных значений участковых и технических скоростей с учетом всех этапов перевозки, начиная от отправления поезда с начальной станции и заканчивая прибытием на станцию расформирования или отцепки вагонов. Для этого потребуется значительное расширение объекта и предмета исследований.
С точки зрения вышеописанной научной проблемы данную диссертационную работу можно рассматривать как один из этапов, в результате которого получено решение частной задачи — разработки принципов и методик расчета эксплуатационных расходов по пробегу поездов и определения оптимальных времен хода грузовых поездов в пределах перегонов железнодорожного участка с учетом режимов ведения поезда и структуры грузового поездопотока.
Диссертационная работа была рассмотрена в службах перевозок Западно-Сибирской и Забайкальской железных дорог. Предложенные рекомендации по оптимизации режимов ведения грузовых поездов использованы при составлении режимных карт на участках «Инская — Алтайская» ЗападноСибирской железной дороги и на участках «Чита — Могзон», «Могзон — Хи-лок» Забайкальской железной дороги (приложение В).
Дальнейшее практическое использование результатов диссертационной работы позволит существенно сократить издержки перевозочного процесса, связанные с обеспечением тягового обслуживания грузового движения на участках железных дорог на основе оптимизации перегонных времен хода и режимов ведения поездов и соответствующего сокращения суммарных эксплуатационных расходов по пробегу поездов, повысить качество организации перевозочного процесса и увеличить конкурентоспособность железнодорожного транспорта.
