СОДЕРЖАНИЕ

На правах рукописи




Соболев Алексей Викторович




ОРГАНИЗАЦИЯ АДАПТИВНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ПУНКТОВ МАССОВОЙ ПОГРУЗКИ И ВЫГРУЗКИ С ПОМОЩЬЮ
ПОСТРУЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКАМИ ПОРОЖНЯКА




05.22.08 – Управление процессами перевозок




АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук




Москва - 2005
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Значительная роль железнодорожного транс-
порта в экономике России определяется уникальными географическими пара-
метрами государства. Переход отраслей экономики на рыночные отношения
требует соответствующей оптимизации работы железнодорожного транспорта.
Существующий механизм централизованного управления порожними вагонами
опирается на техническое нормирование перевозочного процесса, в рамках ко-
торого разрабатывается месячный план передачи порожних вагонов между от-
делениями железных дорог. План рассчитывается ежемесячно в предположении
стационарности величин регулировочных разрывов на дорогах и отделениях
сети. В настоящее время даже в течение месяца колебания погрузки и выгрузки
на сети имеют ярко выраженный характер, потоки порожних вагонов перестали
быть стационарными. В отрасли произошел переход от месячного плана пере-
возок к заявкам на перевозку, объем которых каждый конкретный грузоотпра-
витель задает посуточно.
Перемены в стране повлекли за собой ряд изменений в принципах на-
правления вагонопотоков, осуществлен переход от эксплуатации единого ва-
гонного парка к парку, разделенному по видам собственности. Потоки порож-
них вагонов перестали быть однородными, возникла дифференциация
стоимостей и требований к доставке вагонов различных типов и собственников.
Потоки в нынешних условиях стали многоструйными и существенно динами-
ческими.
Управление на сетевом уровне фактически ведется по усредненным пока-
зателям, а распределение и назначение конкретных порожних вагонов под заяв-
ки на перевозки ведется на нижестоящих уровнях управления, т.е. оперативная
детальная информация о дислокации погрузочных ресурсов не является осно-
вополагающей. Местная работа по управлению порожними вагонами сильно
затруднена:
? отсутствием информации о движении составов с гружеными и порож-
ними вагонами на других дорогах;
? отсутствием оперативного прогноза зарождения порожних вагонов.
Это приводит к тому, что на сети периодически возникают ситуации ост-
рой недостачи порожняка, большого количества вагонов, отставленных в ре-
зерв и т.д. Отсутствие на сетевом уровне номерного контроля позволяет доро-
гам распоряжаться порожними вагонами по своему усмотрению. Довольно
большая часть порожних вагонов при движении на станцию погрузки не имеет
определенной станции назначения, она определяется в процессе движения. Та-
кое обезличенное управление зачастую приводит к перепробегу вагонов в по-
рожнем состоянии.
В этих условиях приобретает особую важность задача организации адап-
тивного взаимодействия пунктов массовой погрузки и выгрузки с помощью по-
струйного управления потоками порожняка с применением моделей, способ-
ных производить оптимизацию потоков в динамике.

3
Стремительное развитие возможностей вычислительной техники, доступ-
ность устройств хранения больших объемов информации, высокий уровень
развития систем сбора оперативных данных на железнодорожном транспорте -
все это позволяет задавать параметры оптимизационных моделей, близких к ре-
альности, с помощью информационных хранилищ (ИХ).
Цель диссертационной работы состоит в разработке и реализации науч-
но-методических принципов организации адаптивного взаимодействия пунктов
массовой погрузки и выгрузки с помощью поструйного управления потоками
порожняка с применением моделей, способных производить оптимизацию по-
токов в условиях неравномерного образования и потребления порожняка.
Адаптивное взаимодействие пунктов массовой погрузки и выгрузки произво-
дится за счет:
? достаточно точного прогнозирования моментов образования порожня-
ка по данным о движении груженых потоков;
? согласования в динамике ритмов образования порожняка с ритмами
его потребления в пунктах погрузки с учетом параметров транспортной сети.
Оперативное управление порожняком реализуется с помощью специально
разработанной автоматизированной системы.
Методика диссертационного исследования основывается на:
? обобщении результатов теоретических исследований и практики орга-
низации вагонопотоков на отечественных и зарубежных железных дорогах;
? анализе использования существующих автоматизированных систем в
вопросах организации и управления вагонопотоками;
? анализе математических методов, применявшихся ранее к задачам та-
кого рода;
? анализе отчетных и статистических данных о работе сети дорог, полу-
ченных, в том числе, и из информационных хранилищ.
При решении поставленных задач использовались методы математиче-
ской статистики, теории исследования операций, теории информационных хра-
нилищ, теории моделирования транспортных систем.
Научная новизна. Разработаны принципы и способы оптимизации адап-
тивного взаимодействия поставщиков, потребителей и транспорта в производ-
ственно-транспортной системе, где пункты массовой выгрузки и погрузки свя-
заны с многоструйными потоками порожняка. Впервые, применяемый для этой
цели метод динамического согласования, позволяет рассчитать оптимальный
динамический процесс функционирования всех подсистем в соответствии с их
адаптивными свойствами. Разработана методология расчета многодневного
прогноза зарождения порожняка в зависимости от характеристик прибываю-
щих груженых потоков и дислокации вагонов на момент расчета. Предложена
методика использования для этого аппарата информационных хранилищ.
Разработан способ расчета оперативного плана передислокации порожня-
ка на сети железных дорог для центра управления перевозками (ЦУП) ОАО
РЖД с использованием динамических потоковых моделей. Разработан метод
автоматизации принятия управленческих решений диспетчера ЦУП ОАО РЖД
по выбору режимов суточного отправления порожняка железными дорогами и

4
отделениями дорог при рациональном взаимодействии пунктов массовой вы-
грузки и погрузки.
Практическая ценность работы заключается в том, что она направлена
на совершенствование процессов оперативного управления потоками порожня-
ка на железных дорогах России в целом. При обеспечении рационального взаи-
модействия пунктов массовой выгрузки и погрузки управление потоками по-
рожняка как многоструйными позволит добиться согласования ритмов
погрузки и выгрузки в условиях наличия на сети железных дорог подвижного
состава различных типов, собственников, а также разных ритмов работы пред-
приятий. В случае непредсказуемых всплесков запросов на порожняк, проблема
нехватки перевозочных ресурсов будет решена до их отрицательного воздейст-
вия на пункты массовой погрузки.
Реализация и апробация работы. Результаты исследований, получен-
ные в диссертации, использовались при разработке «Автоматизированной сис-
темы регулирования порожними контейнерами на основе динамических про-
гнозов», сданной в опытную эксплуатацию в Центре по перевозке грузов в
контейнерах «ТрансКонтейнер», филиале ОАО РЖД, в 2004 году. В основу
данной системы были положены алгоритмы и методики вычисления много-
дневного прогноза и оптимального плана передислокации порожних вагонов,
адаптированные для потоков контейнеров.
Основные положения диссертации докладывались на:
? четвертой Международной конференции «Когнитивный анализ и
управление развитием ситуаций» (CASC’2004), г. Москва, 2004 г.;
? четвертой Международной конференции «Идентификация систем и
задачи управления» (SICPRO’2005), Москва, 2005 г.;
? второй Международной конференции «Параллельные вычисления и
задачи управления» (PACO’2004), Москва, 2004 г.;
? девятой и десятой Международных открытых научных конференциях
“Современные проблемы информатизации в технике и технологиях”, 2004 и
2005 г.г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опублико-
ваны в 6 печатных работах, в т.ч. в 2 - без соавторства.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка литературы (62 наименования), пяти приложений. Ра-
бота содержит 119 с. основного текста, три таблицы, 38 рисунков, 22 с. прило-
жений.




5
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснована актуальность темы исследования.
Первая глава «Анализ теории и практики управления потоками порожних
вагонов» содержит анализ принципов управления потоками порожних вагонов
в России и за рубежом. Приводится анализ развития методов оптимизации
управления порожними вагонами, освещается состояние вопроса прогнозиро-
вания вагонопотоков, излагается цель и ставятся задачи диссертации.
В настоящее время оперативная работа по регулированию парка порож-
них вагонов ведется по принципу обязательного выполнения утвержденных на
текущий месяц технических норм. Они рассчитываются ежемесячно, в некото-
рых случаях определяются с подразделением по декадам. Процедура выработки
технического плана состоит из нескольких этапов расчетов и согласований на
дорожном и сетевом уровнях управления. Вычисление вариантов технического
плана производится по критерию минимизации среднего порожнего пробега с
учетом технологических ограничений. Оптимизационная модель базируется на
транспортной задаче в статической постановке. Фактор времени в модели не
присутствует, так как она разрабатывалась в предположении, что на протяже-
нии месячного периода планирования объемы погрузки и выгрузки, а также ин-
тенсивность перевозок неизменны. Проведенный анализ работ, посвященных
проблемам оперативного управления вагонопотоками, показал, что такой под-
ход достаточно оправдал себя только в условиях плановой экономики и относи-
тельно стационарных и однородных транспортных потоков.
Однако с переходом к рыночным отношениям, эффективность управления
потоками порожняка существенно снизилась. Потоки перестали быть однород-
ными в силу появления многих собственников на вагоны, соответственно воз-
никла дифференциация стоимостей и требований к доставке вагонов. Это тре-
бует перехода к поструйному управлению потоками порожняка с применением
моделей, способных производить оптимизацию потоков в динамике, что позво-
лит организовать адаптивное взаимодействие пунктов массовой погрузки и вы-
грузки. К таким моделям относятся динамическая транспортная задача с за-
держками (ДТЗЗ) и ее дальнейшее развитие – метод динамического
согласования производства и транспорта (МДС), разработанные профессором
П.А. Козловым.
Необходимо отметить, что для оптимизации потоков порожних вагонов в
масштабе сети железных дорог России метод динамического согласования ра-
нее не применялся.
Теоретическим базисом исследования послужили труды докторов техни-
ческих наук А.А. Аветикяна, В.М. Акулиничева, В.И. Апатцева, Е.В. Архан-
гельского, К.А. Бернгарда, Н.Е. Борового, А.Ф. Бородина, В.А. Буянова, П.С.
Грунтова, Ю.В. Дьякова, Н.Д. Иловайского, В.С. Климанова, И.Т. Козлова, П.А.
Козлова, В.И. Некрашевича, В.Т. Осипова, А.Т. Осьминина, А.П. Петрова, Е.А.
Сотникова, И.Б. Сотникова, Е.М. Тишкина, Л.П. Тулупова, В.А. Шарова, В.Г.
Шубко, кандидатов технических наук А.Э. Александрова, М.А. Александрова,

6
В.П. Амелина, В.И. Бодюла, А.В. Бугаева, В.К. Буяновой, Ф.С. Гоманкова, В.Ф.
Григорюка, С.Г. Журавина, Н.Г. Мищенко, Ю.А. Негомедзянова, И.П. Новико-
вой, П.А. Пилипченко, В.Б. Положишникова, А.А. Поплавского, А.Т. Попова,
Т.И. Рыбаковой, С.В. Трофимова, А.Д. Чернюгова, О.А. Шумской и других ис-
следователей.
В главе определены основные направления исследования, обоснованы
цель и структура работы.
Во второй главе «Математические модели оптимизации потоков порож-
них вагонов в динамике» представлено описание динамических оптимизацион-
ных моделей, предназначенных для организации адаптивного взаимодействия
пунктов массовой погрузки и выгрузки, а также обоснование их технологиче-
ской применимости.
При помощи ДТЗЗ производится оптимизация потоков с учетом динами-
ки образования и погрузки порожняка, динамики запасов и наличия порожняка
в пути. Метод динамического согласования применен для согласования в дина-
мике ритмов образования порожних вагонов с ритмами потребления (погрузки)
порожняка в масштабе сети железных дорог России, что позволяет максималь-
но задействовать имеющиеся динамические резервы за счет корректировки
программы образования порожняка. Такое согласование производится по-
струйно, то есть с учетом вида порожняка. Под видом порожняка подразумева-
ется сочетание признаков собственности и типа подвижного состава.
Рассматривается транспортная сеть, состоящая из пунктов массовой по-
грузки и выгрузки. В роли таких пунктов выступают железнодорожные станции
массовой погрузки или выгрузки, а также отдельные предприятия.
Образование порожних вагонов в пункте складывается за счет:
а) прибытия порожних вагонов;
б) прибытия и выгрузки груженых вагонов;
в) выгрузки груженых вагонов, находящихся в наличии в соответствую-
щих пунктах.
Программа образования порожняка определяется путем прогнозирования,
исходя из данных о движении груженых вагонов. При прогнозировании учиты-
ваются вагоны в движении и выгрузочные способности пункта. Методика про-
гнозирования описана в третьей главе.
План погрузки для всех пунктов известен из заявок на перевозки. Транс-
портные связи характеризуются пропускными способностями и временем хода
вагонов.
Необходимо организовать подвод порожняка таким образом, чтобы на
всем периоде планирования обеспечить удовлетворение потребностей пунктов
погрузки сети в порожних вагонах, сократив при этом их простои, затраты на
передислокацию, а также затраты на перестройку программы образования по-
рожних вагонов. С помощью перестройки этой программы осуществляется
адаптивное согласование ритмов образования и потребления порожняка.
В качестве ресурса рассматриваются порожние вагоны, готовые к пере-
дислокации. Груженые, а также порожние вагоны, уже имеющие назначение, не
являются объектом управления, но информация о них учитывается при прогно-
зировании образования порожняка.
7
Пусть транспортная сеть состоит из P = {p1 , p 2 ,..., p N } пунктов, соединен-
ных направленными путями ( pi , p j ), i ? j , pi , p j ? P .
Рассмотрим временной период планирования [0, T ] , который выбирается
исходя из максимально возможного времени хода порожних вагонов на сети.
Для каждого момента времени t ? Z 0 , t ? [0, T ] на множестве P пунктов сети
определена функция производства qik (t ) и потребления q kj (t ) порожних вагонов
k -го вида k = 1, K .
Функция производства и функция потребления вычисляется единообразно
следующим образом

qik (t ) = aik (t ) ? Gik (t ) , (1)

где a ik (t ) – прогноз образования порожняка вида k в пункте i на
такте t ;
Gik (t ) – план погрузки порожних вагонов вида k в пункте i на
такте t .
Для пункта pi массовой выгрузки функция производства будет положи-
тельна qik (t ) > 0 , для пункта p j массовой погрузки функция потребления будет
отрицательна q j (t ) < 0 , для транзитных пунктов qi (t ) = 0 . В качестве транзит-
ных пунктов, в частности, могут выступать сортировочные станции.
Каждый путь ( pi , p j ) характеризуется пропускной способностью
d ij (t ) ? 0, i ? j , ограничивающей пропуск суммарного потока по всем видам
порожняка. Величиной d ii (t ) задается емкость пункта pi . Длительность пере-
возки или время хода при движении по пути ( pi , p j ) обозначим величиной tij ,
t ij ? Z 0 . Назовем перевозкой u ij (t ) группу порожних вагонов вида k , отправлен-
k


ных из пункта pi в момент времени t и прибывающих в пункт p j в момент
времени t + t ij . Соответствующие стоимости передислокации порожняка обо-
значим cij (t ) . Если путь ( pi , p j ) отсутствует или t + t ij > T , то полагаем
k



u ij (t ) = 0 .
k



Для пункта образования порожних вагонов pi задан запас u ii (t ) , а также
k


расходы cii (t ) на хранение единицы запаса вида k порожних вагонов на такте
k


t . Для пункта потребления p j аналогично задан запас u kjj (t ) и расходы на хра-
нение c kjj (t ) .
Введем корректирующие переменные ? ik (t ) в пунктах образования по-
рожняка pi , означающие уменьшение объема образования порожних вагонов
qik (t ) и, соответственно, увеличение qik (t ? 1) на величину ? ik (t ) с производст-
венными расходами cik (t ) (рис. 1).


8
qik (t )
? ik ( t1 )




t1 ? 1 t1 t

Рис. 1. Корректировка программы образования порожняка при
помощи МДС

Такой перенос объемов образования порожняка на более ранние такты
может быть осуществлен через:
– согласование ритмов работы пунктов массовой выгрузки с ритмами
погрузки за счет форсирования процесса выгрузки вагонов определенного вида;
– ускорения процесса образования порожняка определенного вида в
пунктах массовой выгрузки за счет сокращения времени движения порожняка
по струе.
В качестве критерия оптимальности примем экономический критерий
минимума транспортных расходов на передислокацию порожняка, расходов на
хранение порожних вагонов и затрат на перестройку программы образования

J 1 + J 2 + J 3 > min , (2)
K T
где J 1 = ? ? ?c (t ) ? uij (t ) - транспортные расходы на передислокацию по-
k k
ij
k =1 t = 0 pi , p j ?P
i? j


рожняка;
K T
J 2 = ?? ? cii (t ) ? uii (t ) - затраты на хранение запасов порожняка;
k k

k =1 t = 0 pi ?P
K T
J 3 = ?? ? cik (t ) ? ? ik (t ) - затраты на корректировку программы образования
k =1 t = 0 pi ?P

порожняка, при ограничениях, задаваемых:
а) уравнениями динамики изменения запасов в пунктах образования по-
рожняка

?u (t ) + ? ik (t + 1) ? ? ik (t ) ;
u ii (t + 1) = u ii (t ) + qik (t ) ?
k k k
(3)
ij
p j ?P



б) уравнениями динамики изменения запасов в пунктах погрузки


9
?u
u kjj (t + 1) = u kjj (t ) + (t ? t ij ) + q kj (t ) ;
k
(4)
ij
pi ?P



в) начальными и конечными условиями

u ii (0) = u ii k , u kjj (T ) = 0, ? ik (T ) = 0 ;
0
k
(5)

г) условиями неотрицательности переменных запасов, поставок и коррек-
тирующих переменных

u ij (t ) ? 0, i ? j , i = j; ? ik (t ) ? 0 ;
k
(6)

д) пропускными способностями путей и емкостями пунктов
K

?u (t ) ? d ij (t ), i ? j , i = j .
k
(7)
ij
k =1



Метод решения сводится к разложению динамического потока в статиче-
ский, решению статической транспортной задачи на сети и обратному преобра-
зованию, но уже с известными значениями потоков.
Третья глава диссертации «Автоматизация прогноза образования порож-
них вагонов» посвящена разработанной модели оперативного прогноза, с по-
мощью которой определяется прогноз образования порожняка на станциях
aik (t ) , необходимый для вычисления функции производства и потребления
qik (t ) .
К наиболее значимым особенностям модели можно отнести следующее:
? обеспечивается вычисление многодневного прогноза, исходной ин-
формацией для которого являются данные действующих оперативных систем о
дислокации груженых и порожних вагонов;
? производится прогнозирование образования порожних вагонов на
станциях сети, а также объемов передачи через дорожные стыковые пункты;
? параметры модели вычислены статистическими методами по данным
информационных хранилищ (ИХ);
? модель способна отслеживать суточную динамику потоков порожняка.
Информация о дислокации вагонов доступна в автоматизированной сис-
теме ДИСПАРК. По каждому вагону с уникальным номером n имеется инфор-
˜
мация о состоянии, станции дислокации ? , станции назначения ? , времени ? n
последней операции на момент считывания данных о дислокации. Прогнозиро-
вание ведется отдельно по каждому виду порожняка. Порожняк, двигающийся
в кольцевых маршрутах, не рассматривается.
Модель прогноза базируется на межстанционных временах хода t??˜ , кото-
рые вычисляются в зависимости от ситуации прогнозирования на основе анали-
за ретроспективных данных в ИХ. Виды ситуаций прогнозирования могут быть
следующими:
? прибытие груженого вагона на станцию назначения и выгрузка;

10
? прибытие порожнего вагона на станцию погрузки;
? передача порожнего вагона через дорожный стыковой пункт (дорож-
ный стык).
Рассмотрим прогноз образования порожних вагонов из груженых. Про-
гнозный момент образования порожнего вагона с номером n вычисляется по
формуле
˜˜
? n (? ) = ? n (? ) + t ??˜ , (8)

где в данном случае
t ??˜ – усредненное время хода груженых вагонов от станции дислокации ?
˜ ˜
до станции ? с учетом времени их освобождения на станции ? .
Прогноз прибытия порожних вагонов на станцию погрузки вычисляется
аналогично, при этом в качестве t??˜ берется усредненное время хода порожних
˜
вагонов между станциями ? и ? .
Тогда общий прогноз образования a?˜ (t ) порожних вагонов вида k на
k

˜
станции ? вычисляется по формуле
˜ ˜
a?˜ (t ) = a гр (t , ? ) + a k (t , ? ) , (9)
k k
рег


˜
где a гр (t , ? ) – прогнозное количество порожних вагонов вида k , образую-
k


˜
щихся на станции ? в интервале времени t из вагонов, кото-
рые на момент запроса информации о дислокации находились
в груженом состоянии;
˜
a рег (t , ? ) – прогнозное количество порожних вагонов вида k , прибываю-
k


˜
щих в интервале времени t на станцию ? .
При вычислении прогноза учитываются выгрузочные способности стан-
ций за счет количественного ограничения образующихся после выгрузки ваго-
нов и переноса «излишков» на следующие сутки.
Прогноз передачи порожних вагонов через дорожные стыковые пункты
базируется на временах хода порожних вагонов t??˜m? от станции дислокации ?
до дорожного стыкового пункта ? . Соответствующие времена вычислены в за-
висимости от последовательности m дорожных стыковых пунктов, которые
˜
проходил поток при движении от станции дислокации ? до станции ? . Для
этого были исследованы варианты движения порожних вагонов через дорож-
ные стыковые пункты и определены доли потоков ? ??˜m ? R, 0 ? ? ??˜m ? 1 каждого
варианта от общего потока вагонов между этими станциями (рис. 2).




11
m1 ˜
?1 ?2 ?
?
?3 ?5
?4 m2


Рис. 2. Схема потоков порожних вагонов через дорожные стыковые
пункты ?

Прогнозное количество порожних вагонов, проходящих дорожный сты-
ковой пункт ? в интервале времени t будет равно целой части от величины
a? (t ) , вычисляемой по формуле

a? (t ) = ? ? ? ? ??˜m n??˜m? (t ) , (10)
˜
? ? m



где n??˜m? (t ) – количество порожних вагонов на станции ? , имеющих станцию
˜
назначения ? , прогнозное время прибытия которых на дорожный
стыковой пункт ? попадает в интервал t при движении способом
m.
Ввиду ограниченности доступной информации для построения сложных
моделей прогнозирования, в данной работе вычисление времен хода проводи-
лось несколькими методами обработки совокупности наблюдений о движении
вагонов. Все рассмотренные методы дают разные результаты в зависимости от
ситуации прогнозирования и вида порожняка.
Были рассмотрены следующие методы:
1. Метод вычисления среднего времени хода t??˜ на всей совокупности
наблюдений. Среднее значение вычисляется как математическое ожидание.
2. Метод вычисления наиболее вероятного времени хода t?mod e на всей со-
˜
?

вокупности наблюдений. Исходные времена хода округлены до 1 часа для вре-
мен, не превышающих 24 часа, остальные округлены до 10 часов.
3. Метод вычисления медианы t?med на всей совокупности наблюдений. В
˜
?

качестве медианы используется такое значение времени хода, при котором ко-
личество наблюдений с меньшими медианы временами хода равно количеству
наблюдений с большими временами хода.
4. Метод вычисления времени хода, соответствующего медиане t?norm на
˜
?

модифицированной совокупности наблюдений. Модификация совокупности
наблюдений заключается в принудительном сближении величин медианы и ма-
тематического ожидания посредством усечения множества наблюдений. С этой
˜
целью для тех пар станций ? , ? , для которых разность медианы и среднего
превышает 6 часов, из исходного множества удаляются наблюдения, для кото-
рых выполняется условие


12
t??˜ (? ) > 2 max(med (t??˜ ), t??˜ ) , (11)

t??˜ (? ) – время хода для наблюдения ? ;
где
med (t??˜ ) – значение медианы;
t??˜ – значение среднего.
Этот метод в данной работе называется методом сведения распределения к
«псевдо-нормальному» виду.
Разработана методика проверки модели прогноза, основанная на количе-
ственном сопоставлении прогнозных и фактических величин для разных глу-
бин прогнозирования.
На примере порожних полувагонов инвентарного парка ОАО РЖД прове-
дена проверка прогноза образования порожних полувагонов из груженых. На
рис. 3 показано фактическое и прогнозное образование порожняка на всех
станциях России для глубины прогнозирования 0 суток. Анализ отклонений
прогнозных значений от фактических показал наилучшую достоверность про-
гноза, основанного на методе вычисления наиболее вероятного времени хода.
Другие рассмотренные методы обладают «инертностью», что приводит к суще-
ственным ошибкам прогнозирования, особенно для глубин прогнозирования 0
и 1 сутки.


7500
освобождений
Количество




5000


2500


0
04.02.04 09.02.04 14.02.04 19.02.04 24.02.04
Дата освобождения
Фактическое освобождение
Метод вычисления среднего времени хода
Метод вычисления медианы
Метод сведения распределения к "псевдо-нормальному" виду
Метод вычисления наиболее вероятного времени хода
Рис. 3. Сравнение различных методов вычисления времен хода при прогно-
зировании образования порожних вагонов из груженых

Также проведена проверка прогнозирования передачи порожняка через
дорожные стыковые пункты. На рис. 4 представлен график фактической и про-
гнозной передачи порожних крупнотоннажных контейнеров собственности
ОАО РЖД по дорожному стыку Кошта. При прогнозировании использовался
метод вычисления наиболее вероятного времени хода. Проведенные исследова-
13
ния показали, что этот метод обеспечивает различную точность прогнозирова-
ния в зависимости от наличия на пути следования порожняка сортировочных
станций и станций смены локомотива. Так, при прогнозировании передачи по-
рожних контейнеров через дорожный стык Черусти, существенное влияние на
точность прогнозирования оказывают задержки, связанные со сменой локомо-
тивов на станции Вековка.


120
Количество контейнеров




90



60



30



0
07.09.05 14.09.05 21.09.05 28.09.05
Отчетные сутки

Фактическое количество Прогноз, глубина 0 суток
Прогноз, глубина 1 сутки Прогноз, глубина 2 суток


Рис. 4. Результат прогнозирования передачи по дорожному стыку Кошта
порожних контейнеров методом наиболее вероятного значения

Проверка продемонстрировала способность модели к отслеживанию ди-
намики потоков порожняка.
Четвертая глава диссертации «Исследование принципов адаптивного
взаимодействия пунктов массовой погрузки и выгрузки» посвящена реализации
научно-методических принципов организации адаптивного взаимодействия
пунктов массовой погрузки и выгрузки с помощью поструйного управления
потоками порожняка.
Сформулированы следующие основные принципы управления порожня-
ком в условиях неравномерности потоков:
1. Потоки порожняка рассматриваются как многоструйные. Формирова-
ние плана передислокации порожняка ведется отдельно по каждому виду по-
рожняка.
2. Оптимизация производится на сетевом уровне в оперативном режиме
минимум один раз в сутки.
3. Основные параметры транспортных потоков на сети вычисляются с ис-
пользованием статистических методов на основе хранилищ данных.
14
4. Управление потоками порожних вагонов производится при следующем
порядке взаимодействия с оперативными системами:
? чтение данных о дислокации груженых и порожних вагонов из систе-
мы ДИСПАРК;
? чтение информации о заявках на перевозки из автоматизированной
системы подготовки и оформления перевозочных документов ЭТРАН;
? контроль исполнения оперативного плана путем передачи данных о
закреплении порожних вагонов в систему ДИСПАРК.
5. Адресное управление порожняком. Вычисляемый оперативный план
передислокации содержит данные о пунктах отправления и назначения порож-
них вагонов. Порожние вагоны получают назначение.
6. Управление ведется в диалоговом режиме. Регулирование приоритетов
в обеспечении заявок порожними вагонами осуществляется путем влияния на
стоимостные параметры оптимизационной модели. Параметры модели варьи-
руются отдельно для каждой струи потока (каждого вида порожняка).
Разработана технология централизованного оперативного управления по-
рожняком, включающая следующие пять основных этапов.
На первом этапе, на сетевом уровне в ЦУП вычисляется прогноз образо-
вания порожняка по информации о текущей дислокации погрузочных ресурсов.
Привлечение данных о текущих заявках на перевозки позволяет оценивать
обеспечение заявок сразу для всех важнейших пунктов сети.
На втором этапе в ЦУП производится вычисление оперативного плана
передислокации порожняка при помощи МДС. Производится оценка обеспече-
ния пунктов погрузки порожними вагонами после проведения оптимизации. В
случае необходимости проводится корректировка параметров оптимизацион-
ной модели и перерасчет оперативного плана передислокации. При этом регу-
лируются стоимости передислокации, стоимости хранения, а также параметры
корректировки программы образования порожняка.
Третий этап начинается после выработки варианта плана передислокации,
который в наибольшей степени отвечает всем требованиям. Далее план согла-
совывается в ЦУП и передается в службы движения дорог в качестве рекомен-
дательного для расчета сменного плана работы по отдельным направлениям
дороги.
На четвертом этапе, на основании текущих заявок на перевозку и полу-
ченного из ЦУП плана передислокации порожняка, службы движения дорог
вырабатывают детальный план работы с порожними вагонами с указанием
станций отправления и назначения. Код станции назначения для этих вагонов
отражается в системе ДИСПАРК. Для дальнейшего контроля исполнения плана
передислокации в системе ДИСПАРК задействуется специальный признак за-
крепления.




15
На пятом этапе осуществляется контроль исполнения выработанного пла-
на передислокации порожняка средствами системы ДИСПАРК. Контроль за-
ключается в запрете расформирования составов с закрепленными вагонами не
на станции назначения.
В следующем цикле планирования новый план передислокации будет вы-
числяться только для вагонов, которые не закреплены за ранее согласованными
планами передислокации. Вагоны, которые движутся в соответствии с ранее
согласованными планами, продолжают двигаться на станции своего назначения
(принцип адресного управления). Таким образом, при непрерывном планирова-
нии, управляющее воздействие оказывается только на незакрепленные вагоны.
Данная технология централизованного оперативного управления порож-
ними вагонами обеспечит решение следующих задач:
1. Переход на оперативное централизованное управление порожняком в
условиях суточных колебаний погрузки и выгрузки.
2. Обеспечение диспетчеров всех уровней оперативным прогнозом обра-
зования порожняка.
3. Повышение качества обслуживания предприятий в части обеспечения
порожними вагонами. Повышение надежности доставки порожняка под по-
грузку за счет динамического согласования ритмов погрузки и выгрузки, сис-
темного контроля доставки порожняка.
4. Одновременное планирование доставки порожнего подвижного состава
различных типов, собственников.
5. Повышение эффективности использования порожняка.
В разработанной технологии объемы сдачи по дорожным стыковым пунк-
там не являются объектом управления, они необходимы только для мониторин-
га, что приведет к отходу от ведения управления через регулирование объемов
передачи вагонов по стыковым пунктам дорог и отделений.
Получаемые оперативные планы передислокации будут в целом адекват-
ны перевозочному процессу, так как параметры моделей получены на основе
ретроспективной информации о перевозочном процессе.
В соответствии с вышеописанными принципами осуществлена практиче-
ская реализация «Автоматизированной системы регулирования порожними
контейнерами на основе динамических прогнозов». Система находится в опыт-
ной эксплуатации в Центре по перевозке грузов в контейнерах «ТрансКонтей-
нер», филиале ОАО РЖД. Система позволяет проводить вычисление оптималь-
ного (в смысле минимизации порожнего пробега) посуточного плана
передислокации порожних крупнотоннажных контейнеров с учетом заявок на
перевозки и складывающейся обстановки на сети дорог. Прогноз образования
порожняка и оптимальный план передислокации вычисляется с детализацией
до станций. В оптимизационной модели присутствует 512 станций, имеющих
контейнерные пункты. Данные по наличию, подходу порожняка и заявкам на
перевозки в контейнерах отображаются в удобном для восприятия виде на схе-
ме дорог России, а также в виде различных гистограмм и таблиц.




16
С помощью данной системы проведены вычисления оперативных планов
передислокации порожних контейнеров, которые содержат следующий набор
показателей:
– вид порожняка;
– станция дислокации порожняка;
– станция погрузки;
– количество единиц порожняка данного вида для передислокации со
станции дислокации на станцию погрузки;
– момент времени начала передислокации.
Анализ решений показывает увеличение потенциального обеспечения
заявок на перевозки в результате оптимизации потоков порожних крупнотон-
нажных контейнеров собственности ОАО РЖД на сети станций России (рис. 5).
4065




4500
Прирост обеспечения заявок
в результате оптимизации:
Количество контейнеров




3043 контейнера
3000
1896




1685


1681
1613




1522
1396




1236
1097




1109




1087
1066




1073




1500



961
927




788
752




687
657




622
576




390
347




174




0
21.04.2005 22.04.2005 23.04.2005 24.04.2005 25.04.2005 26.04.2005
Отчетные сутки
Прогноз образования порожних контейнеров на всех станциях
Обеспечение заявок образующимися порожними контейнерами
Обеспечение заявок в результате оптимизации потоков
Заявки на перевозку


Рис. 5. Прирост обеспечения заявок на перевозки на ж.д. станциях
погрузки контейнеров в результате оптимизации

Как видно из гистограммы, обеспечение заявок на нулевом такте до и по-
сле оптимизации изменяется незначительно. Это связано с тем, что большое
количество порожних контейнеров на момент оптимизации располагались на
значительном удалении от станций погрузки, а для передислокации требова-
лось существенное (более суток) время.
Отметим, что проблема слабого обеспечения заявок на ранних тактах уст-
раняется путем введения механизма закрепления порожняка за вычисленным
планом, который описан выше. В этом случае каждый новый расчет оптималь-


17
ного плана передислокации будет зависеть от результатов предыдущей оптими-
зации потоков.
Исследовано влияние периода планирования на структуру получаемых
оптимальных планов передислокации при оптимизации потоков порожняка. С
увеличением периода планирования задействуются все более удаленные стан-
ции – поставщики порожняка (таблица 1), происходит перераспределение пото-
ков. В таблице отражены фрагменты планов передислокации порожних круп-
нотоннажных контейнеров собственности ОАО РЖД в адрес Московской
дороги, вычисленных для даты планирования 25.04.2005 г.

Таблица 1
Структура потоков порожних контейнеров в адрес станций
погрузки Московской ж.д.
Период планирования, сут.
Дорога отправления
6 10 15 20
Октябрьская 0 0 0 0
Калининградская 0 0 0 0
Московская 346 317 317 323
Горьковская 6 17 17 17
Северная 0 0 0 0
Северо-Кавказская 0 0 0 0
Юго-Восточная 1 0 0 0
Приволжская 0 0 0 0
Куйбышевская 7 1 1 1
Свердловская 101 87 98 107
Южно-Уральская 10 19 36 19
Западно-Сибирская 0 76 76 76
Красноярская 0 129 129 129
Восточно-Сибирская 0 7 9 9
Забайкальская 0 0 0 0
Дальневосточная 0 0 0 41
Сахалинская 0 0 0 0

Время вычисления плана передислокации сильно зависит от периода пла-
нирования. Время вычисления одного варианта плана передислокации на рас-
сматриваемой сети из 512 станций варьируется от 1 минуты до 15 минут при
периоде планирования 10 и 20 суток соответственно. Данные приведены для
компьютера на базе процессора «Pentium 4» с тактовой частотой 2,4 ГГц.
Также разработан прототип автоматизированной системы управления по-
рожними полувагонами инвентарного парка ОАО РЖД. Вычисления ведутся на
сети отделений ж.д. России (около 70).
План передислокации может вычисляться с временным тактом, меньшим
периода определения информации по заявкам на перевозки, что особенно акту-
ально для пунктов массовой погрузки порожняка. Эта возможность реализована
с помощью модифицированного МДС, в котором обеспечивается корректиров-
18
ка программы потребления порожняка на глубину 1 сутки. Таким образом, дос-
тигается более подробная детализация обеспечения заявок внутри суток и од-
новременно вычисляется оптимальный план передислокации порожняка.
На рис. 6 показаны результаты вычисления оперативного плана передис-
локации для порожних полувагонов инвентарного парка ОАО РЖД. Анализ
решения показывает возможность обеспечения суточных заявок на перевозки
при реализации вычисленного плана передислокации. Темные столбцы на дан-
ном графике обозначают детализированную до двух часов потребность Кузбас-
ского отделения Западно-Сибирской ж.д. в порожних полувагонах. Расчеты
проводились с периодом планирования пять суток, в одних сутках 12 тактов,
нулевой такт соответствует началу отчетных суток 26.11.2003.
Произведена оценка эффекта от внедрения разработанных моделей в
масштабе России на примере порожних полувагонов инвентарного парка ОАО
РЖД. Управление по критерию минимизации времени движения вагонов в по-
рожнем состоянии позволит сократить порожний пробег не менее чем на 5%.
Эта величина получена на основе сопоставления фактического порожнего про-
бега полувагонов и возможного кратчайшего порожнего пробега за одинаковый
период времени. Расчеты проводились по данным информационного хранили-
ща вагонной модели.




19
20
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10




Удовлетворение заявок (%)
0




0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
39
41
43
45
47
49
52
54
56
58




Время (такты)

Процент удовлетворения суточных заявок на такте
Накопительный процент удовлетворения суточной заявки


Рис. 6. Динамика удовлетворения суточных заявок на перевозки в полувагонах
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволили разработать методологию рацио-
нального адаптивного взаимодействия пунктов массовой выгрузки и погрузки
при оптимальном управлении многоструйными потоками порожняка. Это даст
возможность снизить потери производства и транспортные затраты. При этом
получены следующие результаты.
1. Анализ показал, что в современных условиях потоки порожних вагонов
следует рассматривать как многоструйные и динамические. Изучение основных
черт и особенностей функционирования относительно замкнутой системы, со-
стоящей из пунктов массовой выгрузки, погрузки и связанных многоструйными
потоками порожних вагонов, показало, что эффективная работа данной систе-
мы может быть достигнута через организацию адаптивного взаимодействия
пунктов массовой выгрузки и погрузки.
2. Для формализованного описания адаптивного взаимодействия приме-
нен метод динамического согласования (МДС). Это позволило построить опти-
мизационную модель динамического согласования ритмов образования порож-
них вагонов с ритмами потребления (погрузки) порожняка в масштабе сети
железных дорог России. Адаптивное управление позволяет в случае непредска-
зуемых всплесков запросов на порожние вагоны решить проблему нехватки пе-
ревозочных ресурсов или же полностью устранить причины ее появления.
3. Разработана модель оперативного прогноза образования порожняка по
данным о груженых потоках и дислокации подвижного состава. Применяется
несколько методов вычисления времен хода: метод вычисления среднего по
всей совокупности наблюдений, метод вычисления наиболее вероятного, метод
вычисления медианы, специальный метод сведения распределения к «псевдо-
нормальному» виду. Проведена проверка точности прогнозирования на приме-
ре полувагонов и крупнотоннажных контейнеров инвентарного парка ОАО
РЖД. Проверка продемонстрировала способность модели к отслеживанию ди-
намики потоков порожняка. Лучшую точность прогнозирования продемонст-
рировал метод вычисления наиболее вероятного времени хода.
4. Текущее состояние инфраструктуры информатизации железных дорог
позволяет широко использовать ретроспективные данные информационных
хранилищ для анализа потоков и вычисления параметров моделей. В данной
работе параметры оптимизационной и прогнозной моделей вычисляются стати-
стическими методами по данным информационного хранилища.
5. Получение оперативного плана передислокации порожних вагонов
предлагается производить на сетевом уровне управления в диалоговом режиме.
Разработана технология централизованного оперативного управления порож-
няком. Технология включает в себя следующие основные этапы: вычисление
прогноза образования порожняка, процесс оптимизации потоков, корректиров-
ка оперативного плана, передача плана на нижестоящие уровни управления,
контроль исполнения плана.
6. Осуществлена практическая реализация автоматизированной системы
управления порожними контейнерами и прототипа автоматизированной систе-
мы управления порожними полувагонами. Проведены вычисления оперативно-
21
го плана передислокации порожних контейнеров и полувагонов на территории
России. Анализ решений показывает увеличение обеспечения заявок на пере-
возки в результате оптимизации потоков порожняка. Исследовано влияние пе-
риода планирования на структуру получаемых оптимальных планов передисло-
кации при оптимизации потоков порожняка.
7. Произведена оценка эффекта от внедрения разработанных моделей в
масштабе России. Управление потоками порожних полувагонов инвентарного
парка ОАО РЖД в динамике по критерию минимизации времени движения ва-
гонов в порожнем состоянии позволит сократить порожний пробег не менее
чем на 5%.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих издани-
ях.
1. Соболев А.В. Разработка модели оперативного управления порожними
вагонами на территории России // Труды II Международной конференции «Парал-
лельные вычисления и задачи управления» PACO ‘2004. Институт проблем управ-
ления им. В.А. Трапезникова РАН. М.: Институт проблем управления им. В.А.
Трапезникова РАН, 2004. – С.272-283.
2. Соболев А.В. Разработка комплекса поддержки принятия решений в
управлении контейнерными перевозками // Когнитивный анализ и управление
развитием ситуаций (CASC'2004). Труды 4-й Международной конференции в 2-
х томах. Том 2 / Под ред. В.И. Максимова. М.: Институт проблем управления
РАН. - 2004. - C.160-162.
3. Соболев А.В., Положишников В.Б. Автоматизированная управляющая
система оперативного регулирования парка порожних вагонов на базе динами-
ческих моделей // Современные проблемы информатизации в технике и техно-
логиях: Сб. трудов. Вып. 9/ Под ред. д.т.н., проф. О.Я.Кравца – Воронеж: Изда-
тельство «Научная книга», 2004. – C.248-249.
4. Соболев А.В., Корюхина Т.Н., Положишников В.Б., Чивикова О.М.
Разработка модели оперативного прогноза образования порожних вагонов на
сети железных дорог России // Труды IV Международной конференции «Иден-
тификация систем и задачи управления» SICPRO '05. Москва, 25-28 января
2005 г. Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. М.: Инсти-
тут проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, 2005. - С.1543-1552.
5. Корюхина Т.Н., Положишников В.Б., Соболев А.В. Применение дина-
мических прогнозов в задаче оперативного управления парком порожних ваго-
нов // Управление большими системами / Сборник трудов. Выпуск 10. Общая
редакция – Д.А. Новиков. М.: ИПУ РАН, 2005. - С.81-86.
6. Положишников В.Б., Соболев А.В. Внутреннее регулирование в сис-
теме управления парком порожних вагонов // Современные проблемы инфор-
матизации в технике и технологиях: Сб. трудов. Вып. 10/ Под ред. д.т.н., проф.
О.Я.Кравца- Воронеж: Издательство “Научная книга”, 2005. – С.167-168.




22



СОДЕРЖАНИЕ