Разработка модели оперативного управления порожними вагонами на территории России

1. Введение

Проблема повышения эффективности управления порожними вагонами на территории России стоит довольно остро. Существующий механизм централизованного управления порожними вагонами опирается на месячный план передачи порожних вагонов между отделениями железных дорог, который рассчитывается ежемесячно в предположении, что изменением величин регулировочных разрывов в течение периода планирования можно пренебречь. Местная работа по управлению порожними вагонами сильно затруднена:

• отсутствием полной информации о движении составов с гружены ми и порожними вагонами на других дорогах,

• отсутствием оперативного прогноза зарождения порожних вагонов.

Это приводит к тому, что на сети периодически возникают ситуации сильной неравномерности подачи вагонов под погрузку, большого количества вагонов, отставленных в резерв, острой нехватки порожняка и тд. Отсутствие на центральном уровне номерного контроля использования порожних вагонов позволяет дорогам распоряжаться порожними вагонами по своему усмотрению, выделяя вагоны по степени пригодности. Довольно большая часть порожних вагонов при движении на станцию погрузки не имеет определенной станции назначения, она определяется в процессе движения. Такое обезличенное управление зачастую приводит к перепробегу вагонов в порожнем состоянии.

В целях повышения эффективности использования погрузочных ресурсов и улучшения качества перевозочного процесса в целом, управление парком порожних вагонов необходимо проводить в оперативном режиме с учетом реальной дислокации груженых и порожних вагонов на сети. Под управлением парком порожних вагонов в оперативном режиме понимается оптимальное назначение порожних вагонов для удовлетворения суточных заявок на перевозки на всем периоде планирования.

Новизна разработки состоит в следующем:

1) Расчет плана передислокации порожних вагонов производится в оперативном режиме, минимум один раз в сутки. В настоящее время план передислокации вычисляется ежемесячно, последующие корректировки плана производятся не ежесуточно.

2) Данные по дислокации грузовых вагонов и заявок на перевозки берутся из действующих оперативных систем. На данный момент для вычисления плана привлекаются среднемесячные значения показателей перевозочного процесса.

3) Многоструйное управление порожняком. Система позволяет формировать план передислокации порожняка отдельно по каждому роду и собственнику вагонов.

4) Оптимизационная модель базируется на динамической транспортной задаче с задержками (ДТЗЗ).

5) Основные параметры транспортных потоков на сети вычисляются с использованием статистических методов на основе информации хранилища данных о событиях с вагонами и поездами. К таким параметрам относятся: времена хода и варианты движения порожних вагонов, времена хода и освобождения груженых вагонов, максимальные выгрузочные способности отделений.

Взаимодействие с оперативными системами:

• чтение данных о дислокации груженых и порожних вагонов из авто матизированной системы пономерного учета, контроля дислокации и регулирования вагонного парка на железных дорогах России (ДИСПАРК);

• чтение информации о заявках на перевозки из системы ЭТРАН;

• контроль исполнения оперативного плана осуществляется путем передачи и чтения данных о закреплении порожних вагонов в систему ДИСПАРК.

Итак, предлагаемая модель управления существенно повысит эффективность использования погрузочных ресурсов за счет:

a) централизованного управления порожняком на всей территории России в оперативном режиме;

b) обеспечения всех отделений сети оперативным прогнозом зарождения порожних вагонов;

c) выработки оперативного плана передислокации порожняка с учетом текущей дислокации погрузочных ресурсов и результатов прогноза за рождения порожняка на сети;

d) контроля исполнения оперативного плана передислокации порожних вагонов.

2. Постановка задачи

Задача формулируется следующим образом. Рассматривается транспортная сеть, состоящая из отделений дорог России (Рис. 1). Порожние вагоны образуются на отделениях в результате прибытия порожних вагонов, а также выгрузки груженых вагонов. Часть этих вагонов используется для своей погрузки, часть передислоцируется для обеспечения погрузки других отделений. План погрузки всех отделений известен на декаду вперед из заявок на перевозки. Транспортные связи между отделениями характеризуются пропускными способностями и временем хода вагонов.

Необходимо так организовать подвод порожняка при известном режиме погрузки, чтобы обеспечить удовлетворение потребностей отделений в порожних вагонах, стремясь при этом сократить простои порожних вагонов и затраты на их передислокацию. Требуется формировать план передислокации порожняка отдельно по каждому роду, собственнику вагонов и пр., т.е. обеспечивать многоструйное управление порожняком.

Транспортная сеть. Стрелками схематично показаны потоки порожних вагонов, следующих 
к местам погрузки

Рис. 1. Транспортная сеть. Стрелками схематично показаны потоки порожних вагонов, следующих к местам погрузки

Результатом решения задачи является оперативный план передислокации порожних вагонов между отделениями сети, имеющий следующую структуру:

• род подвижного состава;

• признак собственности;

• отделение дислокации порожних вагонов;

• отделение назначения порожних вагонов;

• время начала передислокации;

• рекомендуемое количество порожних вагонов к передислокации.

Ввиду неравномерности ритмов погрузки вагонов, большого разброса времен доставки и освобождения вагонов, а также задержек, возникающих при их движении, оптимизация потоков порожних вагонов должна производиться с учетом временного фактора. Данная задача сводится к динамической транспортной задаче с задержками в матричной форме следующим образом.

2.1. Математическая постановка задачи оптимизации потоков порожняка в динамике

В качестве ресурса задачи оптимизации рассматриваются порожние вагоны, которые готовы к передислокации для обеспечения потребностей отделений в порожних вагонах. Каждое отделение одновременно может выступать как в роли поставщика порожних вагонов - сдавать порожние вагоны для передислокации, так и в роли потребителя - принимать порожняк для обеспечения заявок. Груженые, а также порожние вагоны, уже имеющие назначение не являются объектом управления, но информация о них учитывается при прогнозировании образования порожняка (Рис. 2).

Виды потоков в задаче

Рис. 2. Виды потоков в задаче

Транспортная система в этом случае может быть представлена следующим образом. Каждое отделение рассматривается как совокупность двух узлов модели: узлов-производителей ресурса Аi и узлов-потребителей Вj, i= 1....n, j=1....n (Рис. 3). Каждый узел производства Аi соединен коммуникациями со всеми узлами потребления Вj.

Структура транспортной сети

Рис. 3. Структура транспортной сети

Пусть порожняк от мест образования может быть подан к местам погрузки для удовлетворения заявок на перевозки в моменты времени T0, T0+1,... T0+Т-1. Тогда интервал оптимизации всех узлов потребления равен [T0, T0+Т-1]. Потребуем, чтобы интервал оптимизации полностью укладывался бы в S суток. Пусть интервал поделен на Т тактов таким образом, что каждые сутки имеют равное количество тактов. Время движения порожних вагонов из Аi в Вj обозначим tij. Предполагаем, что все транспортные задержки выражены в тактах tij Z0 ={0,1,2,...} для всех i, j= 1,...,п. Интервал времени работы поставщика Ai на потребителя Bj равен [T0-tij, T0-tij+T-1]. Поэтому общий интервал функционирования поставщика Ai

где Ti = max(ti1,..., tin), ti = min(ti1,..., tin). Тогда общий интервал оптимизации системы поставщиков:

где Т = maxTt,t = min t1., а общий интервал функционирования системы будет равен [То —Т,Т0 +Т — 1].

Для узлов Ai заданы объемы производства ресурса ai(t), t [Т0 — Ti, T0 t1 + T — 1], которые определяются из прогноза образования порожних вагонов на отделениях по информации о дислокации и назначении груженых и порожних вагонов.

Методика прогнозирования образования порожних вагонов описана в статье «Модель оперативного прогноза образования порожних вагонов на сети железных дорог России» настоящего сборника.

Спрос на ресурс для узлов Bj определяется по информации о суточных заявках на перевозки. Так как информация по заявкам на перевозки определена с суточной детализацией, а длина такта может быть менее суток, необходимо ввести условие выполнения суточных заявок. Спрос bj(t) связан с суточными заявками zj(s) для соответствующего отделения следующим образом:

где t1 и t2 задают соответственно номера тактов начала и конца суток s:

Приведенные расходы на хранение ресурса в течение такта t в узлах производства и потребления обозначим ciA (t) и cjB (t) соответственно, а запасы ресурса соответственно xiA (t) и xjB (t). Обозначим переменные поставок, выходящих в течение такта t из Аi в Вj, uij(t) как, а и uij(t) - объем поставок, поступающий в течение такта t из Аi в Вj. Если же в момент С движение между пунктами Аi и Вj закрыто, то перевозка uij(t) не рассматривается.

При заданных программах поставщиков и потребителей оптимизация передислокации ресурса рассматривается как задача минимизации функционала транспортных расходов и суммарных расходов на хранение ресурса

при ограничениях, задаваемых:

а) уравнениями динамики запасов у поставщиков и потребителей:

где через Gi(T0-Ti+ i) обозначено множество индексов/узлов потребления Bj, в которые узел Ai в момент времени T0-Ti+ i может выполнить поставки, прибывающие в эти узлы не позднее Т0+Т-1;

b) уравнением связи поставщиков и потребителей:

с) начальными и конечными условиями:

d) условиями неотрицательных запасов и перевозок:

Методика сведения данной задачи к задаче линейного программирования представлена также в работе.

3. Методика вычисления оперативного плана передислокации

Вычисление оперативного плана передислокации порожних вагонов производится на центральном уровне управления минимум один раз в сутки.

По информации о дислокации груженых и порожних вагонов и вычисленных заранее параметрах транспортной сети вычисляется прогноз образования порожняка ai(t) на десять суток вперед. Как уже говорилось, параметры транспортных потоков вычислены статистическими методами по ретроспективным данным, накопленным в информационном хранилище (Рис. 4).

Алгоритм вычисления плана передислокации порожних вагонов

Рис. 4. Алгоритм вычисления плана передислокации порожних вагонов

Далее, по информации о заявках на перевозки вычисляются потребности отделений в вагонах на ближайшую декаду Zj(s) . С привлечением информации о параметрах потоков порожних вагонов автоматически решается динамическая транспортная задача с задержками. Таким образом, рассчитывается один вариант плана передислокации.

Далее план может корректироваться путем варьирования стоимостных параметров модели в диалоговом режиме. Таким же способом обеспечивается удовлетворение потребностей в порожних вагонах для наиболее приоритетных регионов погрузки. После согласования плана в Центре управления перевозками, данные расчетов передаются на нижестоящие уровни управления. В результате, в соответствии с рассчитанным планом, порожние вагоны на станциях получают определенную станцию назначения, что отражается в системе ДИСПАРК (Рис. 5). Таким образом, эти вагоны закрепляются за вычисленным планом передислокации, а функции автоматического контроля над их продвижением берет на себя система ДИСПАРК.

Механизм закрепления вагонов

Рис. 5. Механизм закрепления вагонов

4. Основные результаты

На данный момент разработана модель оперативного управления порожними вагонами на территории России и создан действующий прототип управляющей системы. Основные параметры модели:

• оптимизация производится только для отделений дорог России;

• в рамках данной системы производится оптимизация только порожних вагонов, не входящих в кольцевые маршруты;

• на данном этапе все расчеты производились для полувагонов инвентарного парка;

• обеспечивается возможность выбора приоритетного в обеспечении порожними вагонами региона погрузки;

• длина такта может варьироваться, в том числе, быть меньше суток;

• вычисляются прогнозные количества вагонов на дорожных стыках для оценки достоверности получаемых решений ДТЗЗ.

Разработан прототип управляющей системы, архитектура которого изображена на рис. 6. Прототип обеспечивает:

• считывание входной информации о дислокации вагонов, заявках на перевозки и параметров модели;

• вычисление прогноза образования порожняка и автоматическую генерацию условий ДТЗЗ;

• передачу условий ДТЗЗ модулю оптимизации транспортных потоков и прием результатов решения;

• корректировку в диалоговом режиме стоимостных параметров мо дели оптимизации;

• отображение информации по прогнозу образования порожних вагонов в графическом виде;

• отображение информации о потоках порожних вагонов на схематической карте дорог;

• отображение вычисленного плана передислокации в формате «шах- матки»;

• хранение параметров и результатов предыдущих расчетов.

Архитектура прототипа управляющей системы

Рис. 6. Архитектура прототипа управляющей системы

Система имеет web-интерфейс, может быть переконфигурирована для вычислений планов передислокации с детализацией до станций.

Проведены вычисления оперативного плана передислокации порожних полувагонов инвентарного парка на территории России. Анализ решения показывает возможность обеспечения суточных заявок на перевозки при реализации вычисленного плана передислокации порожних вагонов. На рис. 7 представлен анализ удовлетворения заявок Кузбасского отделения Западно-Сибирской железной дороги. Расчеты проводились с периодом планирования 5 суток, длина такта 2 часа, нулевой такт соответствует началу отчетных суток 26/11/03. Время вычислений при этих условиях на сервере Sun Ultra Enterprise 3000 составляет 1 час. Время вычислений плана передислокации при величине такта 1 сутки не превышает 30 секунд.

Результат решения ДТЗЗ

Рис. 7. Результат решения ДТЗЗ. Динамика удовлетворения суточных заявок на перевозки для Кузбасского отделения, период планирования 5 суток, длина такта 2 часа, нулевой такт соответствует началу отчетных суток 26/11/03. Темные столбцы - процент удовлетворения суточных заявок в порожних полувагонах на данном такте, светлые - накопительный процент удовлетворения суточной потребности

5. Заключение

Данная статья посвящена разработке модели оперативного управления парком порожних вагонов. Предлагаемая модель базируется на динамической транспортной задаче с задержками и учитывает динамику процессов образования и потребления порожняка. Параметры модели вычислены с использованием статистических методов по накопленным в информационном хранилище данным о событиях с вагонами. В статье представлена математическая постановка задачи оптимизации потоков. Разработана методика вычисления оперативного плана передислокации порожняка, создан действующий прототип, позволяющий вычислять и анализировать различные варианты плана.

В заключение хотелось бы отметить некоторые особенности разработанной модели управления, имеющие отношение к технологии регулирования парка порожних вагонов. Во-первых: предлагается переход к оперативному управлению за счет привлечения к расчетам данных действующих оперативных систем и прогноза образования ресурса; во-вторых: введение номерного закрепления порожних вагонов должно обеспечить гарантированную доставку порожняка на пункты погрузки; в-третьих: в предлагаемой модели объемы сдачи по дорожным стыкам не являются объектом управления, они необходимы только для мониторинга, что приведет к отходу от ведения управления через регулирование объемов передачи вагонов по стыкам дорог и отделений.

Вместе с тем, получаемые оперативные планы передислокации будут в целом адекватны перевозочному процессу, так как параметры моделей получены на основе ретроспективной информации о перевозочном процессе.










Системы передачи данных

 


Комплексные проектные решения

 


Управление распределенными системами

 


Автоматизированные рабочие места

 


Системы и средства обеспечения безопасности движения

 


Цифровые сети технологической связи

 


Информационные системы управления движением

 


Автоматизированное управление разработками проектов

 






 



Copyright (c) 2008, Infotest, Inc.