Киман Андрій Миколайович Формування автоматизованої технології просування групових поїздів оперативного призначення

Краткое описание

Киман Андрій Миколайович, заступник начальника відділу перевезень з оперативної роботи Відокремленого підрозділу Знам’янської дирекції залізничних перевезень регіональної філії «Одеська залізниця» ПАТ «Українська залізниця»: «Формування автоматизованої технології просування групових поїздів оперативного призначення» (05.22.01 - транспортні системи). Спецрада Д 64.820.04 в Українському державному університеті залізничного тран­спорту

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ
МІНІСТЕРСТВА ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису
КИМАН АНДРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ
УДК 656.222.3:658.5
ДИСЕРТАЦІЯ
ФОРМУВАННЯ АВТОМАТИЗОВАНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ПРОСУВАННЯ
ГРУПОВИХ ПОЇЗДІВ ОПЕРАТИВНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
05.22.01 - Транспортні системи
275 - Транспортні технології
Подається на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей, результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело А.М. Киман
(підпис, ініціали та прізвище здобувача)
Науковий керівник: ЛАВРУХІН Олександр Валерійович,
доктор технічних наук, професор
Харків - 2017

ЗМІСТ
ВСТУП
РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ ДІЮЧОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ФОРМУВАННЯ ТА ПРОСУВАННЯ ПОЇЗДОПОТОКІВ
1.1 Аналіз показників експлуатаційної роботи вантажних вагонів...
1.2 Аналіз діючої технології організації та пропуску вагонопотоків по залізничних полігонах
1.3 Аналіз наукових досліджень з питань технології організації групових поїздів
1.4 Аналіз існуючих автоматизованих засобів управління вантажними перевезеннями
1.5 Висновки до першого розділу
РОЗДІЛ 2 ФОРМУВАННЯ МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ ОРГАНІЗАЦІЇ ГРУПОВИХ ПОЇЗДІВ ОПЕРАТИВНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
2.1 Передумови формалізації технології погодженої організації групових поїздів оперативного призначення
2.2 Формування математичної моделі організації групових поїздів оперативного призначення
2.3 Процедура рішення математичної моделі погодженої організації групових поїздів оперативного призначення на основі генетичного алгоритму
2.4 Проведення експериментальних розрахунків щодо рішення математичної моделі погодженої організації групових поїздів оперативного призначення на основі цілочисельного генетичного алгоритму
2.5 Висновки до другого розділу
РОЗДІЛ 3 ФОРМУВАННЯ МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ
СИНХРОНИЗАЦІЇ ГРАФІКУ РУХУ ГРУПОВИХ ПОЇЗДІВ
ОПЕРАТИВНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ НА СТАНЦІЯХ ОБМІНУ ГРУП ВАГОНІВ
3.1 Передумови формалізації технології синхронізації графіку руху групових поїздів оперативного призначення на станціях обміну груп вагонів 
3.2 Вимоги до технології узгодження плану формування групових поїздів оперативного призначення з графіком руху поїздів
3.3 Розробка математичної моделі для розрахунку розкладу руху групових поїздів на залізничній мережі
3.4 Рішення математичної моделі синхронізації графіку руху групових поїздів на станціях обміну груп вагонів за допомогою генетичного алгоритму з дійсним кодуванням
3.5 Порівняльний аналіз знайденого варіанту просування малопотужних вагонопотоків дальніх струменів у групових поїздах оперативного призначення з варіантом плану формування організації одногрупних поїздів
3.6 Висновки до третього розділу
РОЗДІЛ 4 ФОРМУВАННЯ АВТОМАТИЗОВАНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ПРОСУВАННЯ ГРУПОВИХ ПОЇЗДІВ ОПЕРАТИВНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
4.1 Вибір підходу щодо створення автоматизованої технології просування групових поїздів оперативного призначення на основі розподіленого штучного інтелекту
4.2 Загальні методи та принципи побудови системи підтримки прийняття рішень
4.3 Визначення структури автоматизованого управління поїзною роботою в умовах реалізації СППР формування та просування групових поїздів оперативного призначення
4.4 Формування графічного інтерфейсу системи підтримки прийняття рішення
4.5 Визначення техніко-економічної доцільності сформованої технології
4.6 Висновки до четвертого розділу
ВИСНОВКИ
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
ДОДАТКИ 
ВСТУП
Актуальність теми. В умовах кризових явищ на ринку вантажних перевезень України спостерігається тенденція до зменшення обсягів вагонопотоків на залізничній мережі і, як наслідок, збільшується період накопичення составів, що призводить до невиконання термінів доставлення вантажів тощо. У той же час загострюється конкуренція з автомобільним вантажним транспортом у секторі перевезень вагонних та групових відправок. Ця ситуація вимагає вирішення завдання щодо удосконалення діючих технологій перевізного процесу, пов’язаних з формуванням, організацією та відправленням вантажних поїздів на основі концепції, яка дасть змогу надати гнучкості експлуатаційній роботі залізниць з урахуванням змін умов формування вагонопотоків у поїзди.
Основу організації вагонопотоків складає план формування поїздів (ПФП), який визначає рівень завантаження технічних засобів транспорту, а також розподіл сортувальної і маневрової роботи між станціями й пунктами відправлення і призначення вантажних поїздів. У цей час план формування поїздів, який визначає вид та напрямок поїздів і груп вагонів, які формують станції, розробляється раз у рік, а методи розрахунку ПФП базуються на середньодобових планових вагонопотоках та не враховують їх коливань по величині та структурі протягом сезонів року, днів тижня та годин доби. За таких умов виникають ситуації на станціях мережі, коли вагонні струмені, що виділені в самостійні призначення, мають добову потужність менше встановлених норм маси та довжини вантажних поїздів для відправлення. Для уникнення перепростоїв та прискорення просування вагонів можливим є проведення корегування ПФП для окремих поїздів на основі застосування технології погодженої організації групових поїздів оперативного призначення.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до Державної цільової програми реформування залізничного транспорту на 2010 - 2019 роки, затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 16.12.2009 року № 1390, розпорядженням Кабінету Міністрів України від 16.12.2009 року №1555-р, "Стратегії розвитку залізничного транспорту України на період до 2020 року", Комплексної програми оновлення залізничного рухомого складу на 2008 - 2020 роки, затвердженої наказом Міністерства транспорту і зв'язку України від 14.10.2008 року № 1259, а також науково-дослідної роботи "Формування та шляхи реалізації організаційно-технічної моделі використання вантажних вагонів у міжнародних перевезеннях" (ДР № 0115U000275), у якій здобувач приймав безпосередню участь.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є формування автоматизованої технології просування групових поїздів оперативного призначення на основі удосконалення процедури оперативного корегування плану формування та графіка руху поїздів, яка передбачає врахування просторової та часової складової процесу управління поїздопотоками.
Для досягнення поставленої мети було поставлено такі завдання дослідження:
- провести аналіз експлуатаційних показників роботи залізничних підрозділів, а також технології управління поїздопотоками на мережі регіональних філій залізниці України та закордоном для формулювання вимог щодо формалізації технології організації групових поїздів оперативного призначення;
- для формування технології вибору раціонального маршруту об’єднання груп вагонів сформувати математичну оптимізаційну модель організації погоджених групових поїздів зі змінними сполученнями груп вагонів на мережевому рівні;
- для формування технології синхронізації графіка руху групових поїздів на станціях обміну груп вагонів сформувати математичну модель визначення раціонального варіанта об’єднання струменів вагонопотоків згідно з планом формування поїздів;
- сформувати автоматизовану технологію просування групових поїздів оперативного призначення, яка дасть можливість оперативному диспетчерському апарату приймати обґрунтовані рішення щодо організації погоджених групових поїздів зі змінними сполученнями груп вагонів на мережевому рівні;
- удосконалити діючу інформаційно-керуючу систему ПАТ «Українські залізниці» (ПАТ «УЗ») шляхом інтеграції розробленої технології з АСК ВП УЗ-Є для інформаційної і технологічної підтримки при виконанні роботи з груповими поїздами, починаючи від процесу маневрової роботи і закінчуючи їх відправленням на дільниці;
- визначити економічну доцільність упровадження автоматизованої технології просування групових поїздів оперативного призначення на залізничних підрозділах України.
Об'єкт дослідження - процес просування групових поїздів оперативного призначення.
Предмет дослідження - технологія оперативного управління поїзною роботою на полігонах регіональних філій залізниці України.
Методи дослідження. Проведені дослідження ґрунтуються на використанні методів математичної статистики та процедури моніторингу для виконання детального аналізу основних експлуатаційних показників транспортного процесу по залізничних підрозділах; методів теорії графів при побудові довільних залізничних полігонів з визначенням напрямків прямування поїздів оперативного призначення між станціями об'єднання груп вагонів; еволюційних методів для розв'язання оптимізаційних математичних моделей організації групових поїздів оперативного призначення та синхронізації їх графіка руху на станціях обміну груп вагонів.
Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі вирішено наукове завдання, яке має науково -прикладний характер, щодо формування автоматизованої технології просування групових поїздів оперативного призначення на основі розроблення комплексу моделей, які забезпечують реалізацію вищезазначеної технології як у просторі, так і у часі. Згідно з цим було:
вперше:
- для організації групових поїздів оперативного призначення розроблено оптимізаційну математичну модель, яка на відміну від існуючих аналогів дає змогу обирати раціональний маршрут об’єднання груп вагонів для організації погоджених групових поїздів зі змінними сполученнями груп вагонів на мережевому рівні;
- для синхронізації графіка руху групових поїздів оперативного призначення на станціях обміну груп вагонів сформовано оптимізаційну математичну модель, яка на відміну від існуючих дає змогу автоматизувати систему ув’язки графіка руху для великої кількості групових поїздів на полігоні мережі значної розмірності.
Удосконалено:
- процедуру отримання варіанта технології з мінімальними техніко - експлуатаційними витратами, в основу якої покладено підхід до визначення розрахункових значень фітнес-функції на основі застосування алгоритму Дейкстри;
- структуру та комплекс завдань, які вирішуються на автоматизованих робочих місцях оперативного персоналу різних рівнів, шляхом упровадження системи підтримки прийняття рішень щодо формування та просування групових поїздів оперативного призначення.
Практичне значення одержаних результатів. Сформовано автоматизовану технологію просування групових поїздів оперативного призначення. Зазначена технологія базується на процедурі оперативного корегування ПФП, що дає змогу здійснювати пошук раціональних варіантів організації групових поїздів оперативного призначення, що дає можливість станціям працювати як єдиний технологічний комплекс. Ефективне використання цієї процедури дає змогу забезпечити високий рівень їх оперативної співпраці з метою безперешкодного просування вагонопотоків, зменшуючи обіг вантажного вагона. Запропонований підхід дає змогу раціонально розподілити сортувальну роботу між технічними станціями мережі залізниць та забезпечити своєчасне доставлення вантажів у погоджені із замовником терміни.
На основі порівняльного аналізу приведених витрат локомотиво- та вагоно-годин простою за різними варіантами прямування груп вагонів, як у одногрупних поїздах, так і у групових із закріпленням за розкладом руху і без закріплення, доведено доцільність організації групових поїздів оперативного призначення за узгодженим розкладом, що дає змогу зменшити вищенаведені витрати у порівнянні з варіантом прямування групових поїздів без розкладу на 5,14 %. На основі проведених розрахунків для довільного полігона залізниці доведено існування меж доцільності використання запропонованої технології. При цьому за рівних умов при збільшенні параметра накопичення одногрупних призначень на 10,7 % від нормативного доцільним є прямуванням дальніх вагонопотоків одногрупних призначень у групових поїздах із закріпленням за узгодженим розкладом.
Основні результати і розроблені наукові підходи до формування автоматизованої технології просування групових поїздів оперативного призначення застосовано та впроваджено на Знам'янській дирекції залізничних перевезень Одеської регіональної філії ПАТ "УЗ", а також у навчальний процес Інституту перепідготовки та підвищення кваліфікації кадрів Українського державного університету залізничного транспорту при вивченні дисциплін "Вантажні перевезення", "Управління експлуатаційною роботою" та при виконанні кваліфікаційних робіт магістрів. Практичне впровадження результатів дисертаційної роботи підтверджується відповідними актами, які наведено в додатках до роботи.
Особистий внесок здобувача. Результати, що становлять основний зміст дисертаційного дослідження, отримані автором самостійно в Українському державному університеті залізничного транспорту.
У роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать: у статті [1] визначено умови узгодженої взаємодії під'їзних колій із залізничними станціями при виконанні контактного графіка за умови дотримання діючої технології формування поїздів різних категорій; у статті [2] було проаналізовано основні експлуатаційні показники, на основі чого було визначено, що діюча технологія формування та просування поїздопотоків не відповідає існуючій системі ринкових відносин. Було зроблено та обґрунтовано висновок про необхідність вирішення науково-прикладного завдання формування технології просування групових поїздів оперативного призначення; у статті [3] розроблено математичну модель, яка дає змогу вибирати раціональний маршрут об’єднання груп вагонів для організації погоджених групових поїздів зі змінними сполученнями груп вагонів на мережевому рівні; у статті [5] запропоновано удосконалення технології оперативного планування в умовах формування поїздів різних категорій з метою оптимізації обігу вантажного вагона; у статті [6] сформовано автоматизовану технологію визначення раціональної організації вагонопотоків на залізничній мережі за рахунок погодженої організації обігу групових поїздів з обміном груп вагонів на технічних станціях полігона мережі; у роботі [7] запропоновано спосіб блокування переміщення вагонів з небезпечним вантажем, які будуть включені в одногрупні та групові поїзди.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися, обговорювалися та ухвалені на таких конференціях:
- III та IV Міжнародних науково-практичних конференціях "Перспективи взаємодії залізниць і промислових підприємств" ДНУЗТ 2014, 2015 рр. (м. Дніпропетровськ);
- 76, 77 та 78 Міжнародних науково-технічних конференціях "Розвиток наукової та інноваційної діяльності на транспорті" УкрДУЗТ, 2014, 2015, 2016 рр. (м. Харків);
- 10 Ювілейній міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми економіки та управління на залізничному транспорті" ДЕТУТ, 2015 р. (м. Одеса);
- Міжнародній науково-практичній конференції "Інновації структури транспортно-логістичних систем. Проблеми, досвід, перспективи", 2016 р. (м. Трускавець);
- I Міжнародній науково-практичній конференції "Енергооптимальні технології перевізного процесу" ДНУЗТ, 2016 р. (м. Трускавець);
- IV Міжнародній науково-практичній конференції «Людина, суспільство, комунікативні технології» УкрДУЗТ, 2016 р. (м. Красний Лиман);
- 11 Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми економіки та управління на залізничному транспорті" ДЕТУТ, 2016 р. (м. Київ).
Дисертацію у повному обсязі розглянуто та схвалено в Українському державному університеті залізничного транспорту на розширеному засіданні кафедри управління вантажною і комерційною роботою за участю членів спеціалізованої вченої ради Д 64.820.04.
Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 6 наукових статей у фахових виданнях, затверджених МОН України, одна без співавторів (у тому числі 1 стаття у базі даних Scopus), 1 патент, а також 10 тез доповідей на науково-практичних конференціях.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з анотацій, вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків.
Повний обсяг роботи складає 178 сторінок, з них основного тексту 119 сторінок, 7 рисунків, 3 таблиці, список використаних джерел налічує 125 найменувань на 13 сторінках і 4 додатки на 18 сторінках.

Список литературы

ВИСНОВКИ
1. Аналіз показників експлуатаційної роботи вантажних вагонів довів тенденції до зменшення перевезень вантажів та наявність певних коливань обсягів експлуатаційної роботи. Унаслідок чого обіг вантажного вагона зріс на 0,55 доби при середньоквадратичному відхиленні 0,76 доби; простій вантажного вагона на технічній станції збільшився на 1,11 год при середньоквадратичному відхиленні 1,16 год; продуктивність вантажного вагона, зменшилася на 17 млн ткм нетто при середньоквадратичному відхиленні 702,5 млн ткм нетто. Визначено, що одним з важливих факторів погіршення вищезазначених показників є недосконала технологія формування та просування групових поїздів, а саме групових поїздів оперативного призначення. Незважаючи на існуючі техніко -технологічні резерви ці поїзди простоюють в очікуванні накопичення згідно з планом формування поїздів, а повинні були б виконувати корисну роботу.
2. Проведений аналіз закордонного та вітчизняного досвіду організації формування та просування вагонопотоку порівняно невеликими групами довів, що найважливіша особливість графіків (або розкладів) руху вантажних поїздів на закордонних залізницях - це ядро поїздів постійного обертання, яке забезпечено стійким вантажопотоком, що дає змогу побудувати роботу станцій і дільниць не на оперативній, а на технологічній основі. Коливання вагонопотоків погашають призначенням резервних (факультативних) поїздів, які за своєю сутністю є аналогами поїздів оперативного призначення. У таких умовах, спираючись на закордонний досвід, доцільно впроваджувати аналогічні системи планування та управління просуванням поїздопотоків, які не являють собою потужних струменів або відправницьких та ступеневих маршрутів за умови врахування специфіки організаційно-технологічної основи роботи залізничного транспорту України.
3. З метою розроблення технології організації погоджених групових поїздів зі змінними сполученнями груп вагонів на мережевому рівні в дисертаційній роботі розроблено оптимізаційну математичну модель організації групових поїздів оперативного призначення, яка дає змогу вибирати раціональний маршрут об’єднання груп вагонів. Ця математична модель належить до цілочислових задач лінійного програмування. Для розв'язання цієї математичної моделі застосовано оптимізаційний метод на основі генетичного алгоритму зі сформованою процедурою кодування, який дає змогу підвищити точність та швидкість знаходження раціональних варіантів маршрутів обігу групових поїздів на залізничній мережі великої розмірності. Значення, отримані в результаті розв'язання просторової моделі, є вхідними для визначення оптимального ГРП за умови мінімізації непродуктивних вагоно-годин простою, тобто синхронізації задачі у часі.
4. Для формалізації технології синхронізації графіка руху групових поїздів оперативного призначення на станціях обміну груп вагонів розроблено оптимізаційну математичну модель, яка на відміну від існуючих дає змогу автоматизувати систему ув’язки графіка руху для великої кількості групових поїздів на полігоні мережі значної розмірності. Для розв'язання цієї математичної моделі запропоновано застосувати генетичний алгоритм з дійсним кодуванням. Сформовано процедуру кодування та декодування хромосоми генетичного алгоритму, що відображає технологічні особливості реалізації ПФП групових поїздів оперативного призначення. Запропонована процедура дає змогу зменшити час роботи генетичного алгоритму для задач великої розмірності й дає можливість прискорити збіжність алгоритму при пошуці раціонального розв'язання задачі.
5. У цій науковій роботі було сформовано та реалізовано автоматизовану технологію просування групових поїздів оперативного призначення. Основою запропонованої технології є комплекс вищезазначених математичних моделей, які дають можливість оперативному диспетчерському апарату отримувати обґрунтовані рішення щодо організації погоджених групових поїздів зі змінними сполученнями груп вагонів на мережевому рівні за умови економії вагоно-годин простою в розмірі 5.14 %. Реалізацію визначеної технології було виконано у вигляді СППР на основі підходів побудови систем з розподіленим штучним інтелектом. Використання запропонованої автоматизованої технології дасть змогу в автоматичному режимі визначати та узгоджувати доцільність формування поїзда оперативного призначення з використанням процедури еволюційного моделювання.
6. Сформована автоматизована технологія передбачає її інтеграцію з АСК ВПУЗ-Є і надає інформаційну і технологічну підтримку при виконанні роботи з груповими поїздами, починаючи від процесу виконання маневрової роботи і закінчуючи їх відправленням на дільниці, з урахуванням наявності в таких групах вагонів з небезпечними вантажами. Такий підхід до реалізації запропонованої технології дає змогу істотно підвищити безпеку та якість виконання експлуатаційної роботи.
Визначення економічного ефекту по окремих технічних станціях регіональних філій залізниці довело можливість отримання ефекту у грошовому еквіваленті в межах 1,38 млн грн на п'ятий рік застосування сформованої автоматизованої технології просування групових поїздів оперативного призначення.