Имитационное моделирование и управление логистическими ресурсами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Имитационное моделирование и управление логистическими ресурсами



Оглавление

Введение

1. Системное моделирование, как подход

1.1 Методы системного моделирования

1.2 Существующие имитационные модели

2. Поставленная задача. Инструменты и методы решения

2.1 Особенности поставленной задачи

2.2 Применяемое программное обеспечение

2.3 Интерфейс AnyLogic

3. Имитационная модель участка

3.1 Подход к разработке имитационной модели

3.2 Обобщённая модель процесса движения поездов на перегонах участка

3.3 Имитационная модель работы железнодорожного узла "Решетниково"

3.4 Результаты тестов

Заключение

Список используемой литературы

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6



Введение

Актуальность исследования. За последние несколько десятилетий вся система управления логистическими цепочками и их планирования изменилась до неузнаваемости. Разумеется, одной из ключевых причин этих перемен является колоссальный прорыв в области информационных технологий. Достижения последних лет открывают невероятные возможности для повышения качества и скорости любых перевозок, а также минимизации связанных с ними расходов. Информационные технологии, а в частности имитационное моделирование являются поистине безграничным источником технических решений для любых логистических систем. На сегодняшний день, такой гигант, как "Российские железные дороги" только начинает процесс внедрения имитационного моделирования в свою работу. А это значит, что подобная работа могла бы продемонстрировать эффективность данного подхода железнодорожной логистике.

В данной конкретной работе будет рассматриваться работа участка главной железной дороги России - Октябрьской. Соединяющая "две столицы", дорога простирается от Москвы до самой норвежской границы. Окутывая паутиной Тверскую и Новгородскую области, она также заглядывает в соседнюю Ярославскую, обеспечивая железнодорожное сообщение древнего города Углич с остальной Россией. На западе же её ветки уходят глубоко на территории Литвы, Эстонии и Белоруссии, суверенных государств, на момент строительства Октябрьской, являвшихся частями одной, огромной страны. Разумеется, ключевое значение имеет участок - "Морской порт Санкт-Петербург - Москва". Колоссальный грузовой поток ежедневно проходит по этому маршруту. Дешевизна и грузоподъёмность водного транспорта делают его в высшей степени привлекательным для импортёров. Многие и многие тонны товаров из стран Латинской Америки, Северной Африки и Европы отгружаются в санкт-петербургском порту, чтобы отправиться в столицу.

Стоит отметить, что далеко не все эти товары предназначены для реализации в Москве и в Московском регионе, и наверняка существуют более совершенные пути их доставки к потребителям. За частую, такие перевозки не оптимальными путями происходят по вине локальных логистических компаний, имеющий головной офис и центр распределения в столице, и филиалы в регионах. В таком случае возможна ситуация, когда отправленный из Хабаровска в близлежащий Владивосток груз, будет сначала доставлен в Москву и оттуда переадресован во Владивосток. Но это уже тема для совершенно отдельного исследования.

Степень проработанности темы исследования. Имитационному моделированию и управлению логистическим ресурсами посвящено большое количество работ как отечественных, так и зарубежных ученых. В их как числе: Р. Шеннон [1], К. Льюис [2], С. Робинсон [3], А.Н. Стерлигов [4], В. И. Сергеева. В частности, описываемая в первой главе, работа литовских учёных из вильнюсского университета, К. Балсиса и Д. Эйдукаса.

Тем не менее огромное количество теоретических методических проблем, связанных, в том числе, с развитием и совершенствованием использования метода имитационного моделирования при оценке эффективности железнодорожных логистических систем, требуют проведения дальнейших исследований. Например, подробная модель движения грузового поезда с учётом его, напрямую зависящих от массы, ускорения и торможения, позволит оценить реальное время движения такого состава. А наглядная визуализация, выявить и исключить простои, в которых не имеется крайней необходимости. Максимизация пропускной способности путей, особенно если речь идёт о многокилометровых участках вообще является достаточно популярной темой, поднимаемой в большом количестве современных источников. Однако, работ, напрямую применяющих методы имитационного моделирования для решения задач такого рода, для Российских железных дорог на данный момент нет.

Целью выпускной квалификационной работы являлась постройка имитационной модели, воспроизводящей движение грузовых поездов на конкретном, отдельно взятом участке. И выявление оптимальных вариантов движения товарных поездов. Т.е. непросто нахождение наибольшего возможного количества составов для этой ветки, а поиск возможностей для движения с постоянной крейсерской скоростью. На сегодняшний день, использование технологий моделирования позволяет с высокой точностью прогнозировать результаты тех или иных действий, даже в такой непростой области как железнодорожная логистика, и избежать применения пагубного и дорогостоящего метода "проб и ошибок", как это происходит с такими объектами как омское метро, проект которого, "перекраивается от и до" едва ли не каждые несколько лет. Признаваемое то жизненно необходимым, то откровенно нерентабельным оно строится вот уже почти тридцать лет. Пока что, начатое в 1986ом году, строительство подарило городу одну единственную станцию, функционирующую в качестве подземного перехода [5].

Ключевой вопрос, на который призвано отвечать моделирование, как наука - "Что будет если?". При построении модели в ходе выполнения выпускной квалификационной работы, в первую очередь во внимание были приняты такие факторы как - ускорение, торможение, погрузка и разгрузка. Факторы, не играющие столь существенной роли при работе с поездами пассажирскими. В то время как, даже на таком загруженном участке железнодорожной сети, как рассматриваемый зачастую одни и те же пути используются как товарными, так и пассажирскими поездами. А значит при расчёте пропускной способности товарных поездов на ветке, действующее расписание пассажирских должно накладываться как ограничивающее условие. К сожалению, возможности, сопоставить расписание, рассчитанное при помощи, построенной в AnyLogic модели с реальным расписанием движения товарных поездов нет, так как оно является коммерческой тайной РЖД.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

· анализ работ в области имитационного моделирования и железнодорожной логистики;

· описание концептуальной модели исследования;

· построение имитационной модели участка при помощи средств программного обеспечения;

· разработка алгоритмов, генерирующих четыре типа агентов для модели, на языке JavaScript;

· проведение экспериментов с целью определения оптимальных интервалов движения поездов и эксплуатации путей с максимальной полезностью;

· анализ результатов экспериментов и сравнение выработанных решений с целью нахождения лучшего из них;

Объектом исследования является участок Октябрьской железной дороги, и расположенный на нём, железнодорожный узел "Решетниково". (см. Приложение 3).

Предметом исследования являются пропускная способность железнодорожного участка и действующее расписание пассажирских поездов для него.

Научная новизна исследования состоит в использовании инструмента имитационного моделирования для совершенствования железнодорожной логистической системы.

Структура и объем выпускной квалификационной работы:

Выпускная квалификационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка и 6-ти приложений. Работа представлена на 60 страницах, включая 3 таблицы и 28 рисунков.

Во введении представлена общая характеристика исследования: обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи, охарактеризованы исследуемые объект и предмет, определена научная новизна работы.

В первой главе проанализированы существующие методы системного моделирования и применение моделирования имитационного для совершенствования логистической системы.

Во второй главе описываются особенности поставленной задачи описывается подход к её решению, а также использованное при этом программное обеспечение и его интерфейс.

В третьей главе представлена разработанная имитационная модель участка ветки, приведены собранные данные об особенности движения поездов на ней. Подробно описана работа модели, характер проводимых экспериментов и их результаты. На базе полученных результатов предложены оптимизационные решения.

В заключении подводятся итоги проведённого исследования, изложены основные выводы и результаты выпускной квалификационной работы. Описаны перспективы её дальнейшего развития.



1. Системное моделирование, как подход

1.1 Методы системного моделирования

Само понятие моделирования, как построения детальной, или наоборот частичной копии объекта, с целью изучения его свойств, включает в себя множество разновидностей. В первую очередь, необходимо разделить всё множество существующих моделей на материальные и информационные.

Модели материальные - отражающие физические, геометрические и динамические свойства объекта, могут являться как макетом здания или игрушечной машинкой, так и моделью аналогово приборной, воспроизводящей определённые свойства и характеристики исследуемого объекта. Так или иначе модели материальные всегда имеют реальное воплощение.

При кажущемся, удобстве материальных моделей, поставленные задачи выполняются с помощью построения модели информационной. По той простой причине, что искомые результаты требуют проведения большого количества быстрых тестов, с возможностью воспроизводить одни и те же моменты по несколько раз, корректируя при этом входные данные. Информационное моделирование в свою очередь, включает в себя:

· Вербальные, подразумевающие словесное описание на естественном языке.

· Знаковые, выражающиеся через систему специальных символов, уникальных для каждого объекта и агента системы.

· Математические, являющиеся математическим описанием соотношений между количественными характеристиками объекта моделирования.

· Имитационные, ключевая идея которых состоит в создании модели, имитирующей работу реального объекта.2

Моделирование вербальное подошло бы для описания существующих проблем, но для получения практических результатов, лучше прибегнуть не к нему. Знаковое моделирование так же не подойдёт для решения поставленных задач, хотя при помощи такой модели очень удобно было бы ознакомиться с существующим положением дел. Метод математический, хотя и даёт достаточно точные результаты, при работе с большими моделями, включающими множество объектов и агентов, становится неудобен в виду сложности вычислений. Остающийся метод - имитационный, полностью удовлетворяет поставленной задаче, т.к. возможно неограниченное количество тестов с наложением различных условий и разнообразными входными данными. Возможность проведения множества тестов позволяет решать самые разные задачи в рамках одной модели. От элементарной оптимизации движения транспорта, до планирования строительства. Особенности же платформы AnyLogic позволяют интегрировать модель каждой отдельной станции, с моделями станций прилежащих, образуя удобную для работы сеть. Пожалуй, единственным недостатком можно назвать трудоёмкую разработку уникальной модели для каждой станции с учётом всех её особенностей.

1.2 Существующие имитационные модели

Очень близкая по сути своей задача, однако, применительно к оптимизации автомобильного трафика в городе и максимизации пропускной способности улицы, была решена учёными Вильнюсского университета в 2011ом году [6]. В качестве объекта исследования была выбрана улица Короля Миндаугаса (Karaliaus Mindaugo Avenue) в Каунасе, как один из самых загруженных участков в городе. Улица старинного города не была рассчитана на постоянно растущее количество машин, резко увеличившееся с открытием крупного торгового центра поблизости. Чтобы избежать дорогостоящего строительства дополнительных развязок, тоннелей и эстакад, которое к тому же могло бы повредить архитектурному ансамблю исторического центра, был начат поиск иных оптимизационных решений. Для этого была разработана детальная имитационная модель улицы и прилежащих участков (см. рис. 1).

Рис. 1. Имитационная модель "Karaliaus Mindaugo Avenue".

Предметом исследования являлась работа сигнальных светофоров. Изначально все светофоры в городе работали по устаревшей системе "fixed-cycle management" подразумевающей цикличную смену сигналов с фиксированной продолжительностью каждого. Поставленной целью был анализ ситуации и оптимальное внедрение новых систем, так как: "stroke", "major stroke" и "stroke phase" изменяющих продолжительность каждого сигнала в зависимости от времени суток [7].

В самой модели были выделены три интересующих, проблемных участка (см. рис. 2), а на каждом из них в свою очередь заданы 22 объекта в виде существующих полос движения. По четыре на первом и третьем, и четырнадцать на втором.

Рис. 2. Проблемные участки "Karaliaus Mindaugo Avenue".

К созданной модели сотрудники Вильнюсского университета приложили специально разработанный алгоритм (см. рис. 3), по которому машина покидает парковку торгового центра максимально быстро вливаясь в движение и не создавая пробки на выезде.

Рис. 3. Алгоритм движения автомобиля, покидающего парковку.

В реальности, при работе сигнальных светофоров по системе "fixed-cycle-management", в часы пик парковку покидало в среднем 700 автомобилей в час, чего было крайне недостаточно. Проведённые же с моделью тесты показали максимальную пропускную способность в 1200 автомобилей, при условии использования более совершенных систем управления сигнальными светофорами. Подобный подход позволяет не только определять интенсивность трафика в различные часы, для выбора оптимальной системы управления, но и протестировать новые алгоритмы регулировки движения в городе. Результаты проделанной работы были воплощены в жизнь, что заметно улучшило транспортную обстановку в городе. Сразу после очевидного успеха в Каунасе, была начата работа по созданию аналогичных моделей для других проблемных участков по всей стране.

2. Поставленная задача. Инструменты и методы решения

2.1 Особенности поставленной задачи

Каждый человек, регулярно пользующийся услугами Российских железных дорог, сталкивался с ситуацией, когда поезд останавливается в паре сотен метров от станции, и не двигается довольно долгое время, до сорока минут. Такие простои связаны с необходимостью пропустить другой состав, более скорый или же более срочный. На протяжении большей части ветки поезда не имеют возможности разминуться. Прокладывать дублирующие рельсы на участках, где пути свободны более 50% времени было бы не рентабельно, также, как и делать "разъезжими" все станции без исключения. Однако с каждым годом неуклонно растут объёмы пассажирских и грузовых перевозок, а значит появляется нужда в совершенствовании уже существующих веток. Темпы роста грузовых перевозок отражены в работе профессора "Дальневосточного государственного университета путей сообщения" В.П. Могилы [6]. (см. приложение 1.)

Из приведённых в таблице данных видно, что техническая скорость повысилась всего в два раза, участковая в 2,7, а средняя масса вагона возросла с 573 до 3870 тонн, то есть, почти в 6 раз. Исходя из того, на сколько темпы роста средней массы, опережают темпы роста его технической скорости, очевидно, что методы освоения перевозок за счёт увеличения массы поездов, более экономически целесообразны, и преобладают над методами, опирающимися на увеличение скорости составов.

В 26 раз возрос за прошедшее столетие грузооборот на 1 километр эксплуатационной длины. Здесь, как и везде, действует закон убывающей полезности, а значит постоянно увеличивая грузоподъёмность вагонов и мощность локомотивов, мы со временем перестанем получать результат, удовлетворяющий приложенным усилиям. Необходимость повышения технической скорости товарных поездов давно и остро стоит в нашей стране, сильно отстающей по этому показателю от стран Европы и США. Тем более, что избыток парка на сети начинает усложнять ситуацию. При парке более 1 млн грузовых вагонов профицит составляет около 240 тыс. штук.3

Рис. 4. Динамика изменения скорости товарных поездов км/сут. За 1970-2012 годы.

Рассматриваемый в данном отчёте участок Октябрьской железной дороги, между станциями "Москва Товарная" и "Тверь", имеет протяжённость 154 километра. На участке имеются десять платформ, являющихся крупными железнодорожными узлами:3

Ховрино - спустя 2 км. пути.

Химки- 6 км.

Сходня - 18 км.

Крюково - 26 км.

Поварово - 37 км.

Подсолнечная - 52 км.

Клин - 76 км.

Решетниково - 93 км.

Завидово - 106 км.

Редкино - 120 км.

В этих точках товарный поезд может "разминуться" с превосходящим его по скорости пассажирским. Десять таких развязок на 154 километра - это достаточно много, однако даже исходя из этих данных, видно, что по мере удаления от столицы расстояние между узлами растёт. Такая же тенденция сохранятся для всей железной дороги. Перегон между ЖД узлами - это расстояние, на которое товарный поезд должен преодолевать, укладываясь в "окно", предоставленное пассажирскими поездами. Т.к. расписание пассажирских поездов находится в открытом доступе, можно рассчитать время, в которое пути свободны для прохождения по ним грузовых составов.

Согласно данному расписанию пассажирских поездов (см. приложение 2.) в отдельно взятый будний день (25.05.2016) из Москвы в Тверь пройдёт 44 поезда. Зная время, проведённое в пути каждым из них, и количество остановок, мы можем вычислить моменты, в которые, каждый поезд занимает интересующие нас перегоны.

2.2 Применяемое программное обеспечение

Выбор среды для разработки имитационной модели пал на AnyLogic не случайно. Из всех существующих платформ для имитационного моделирования предпочтение было отдано именно AnyLogic как наиболее удобному для работы с логистическими процессами. Продукт российской компании The AnyLogic Company, бывшей XJ Technologies, зарекомендовал себя как надёжное и многофункциональное приложения для моделирования самых различных процессов. AnyLogic Professional является уникальным инструментом для разработки сложных имитационных моделей включающим в себя возможность экспорта моделей в виде отдельных Java приложений, доступных для запуска на других компьютерах без установки AnyLogic, а также импорта пользовательских библиотек и баз данных как, например, расписание пассажирских поездов, в нашем случае. В отличие от множества других инструментов моделирования AnyLogic поддерживает интеграцию с ГИС-картами, позволяющую размещать агентов модели в геопространственной среде, заданной с помощью ГИС-карты. Также данная интеграция включает возможности для поиска объектов в стиле Google Maps, их перемещения в новые места и сбор информации о их текущих местоположениях. Использование линейного программирования в библиотеке позволяет достичь высокой производительности при работе моделей. Ещё одним из определяющих моментов стало наличие предоставляемой разработчиками учебной лицензии. Но разумеется, ключевым преимуществом российского приложения является возможность интегрирования с дискретно-событийными или агентными моделями, описывающими иные связанные с ключевым процессом операции, такими как - погрузки, разгрузки и процессы обслуживания локомотивов и вагонов.

В моделях, разработанных в среде AnyLogic, ветка разбивается на участки, каждый из которых является объектом, которому можно придать свойства. В зависимости от нахождения или отсутствия пассажирского поезда на участке определяется доступен ли он при построении маршрута товарного состава, или же его необходимо исключить.

Так же в качестве ограничивающих условий необходимо наложить расписания поездов транзитных, не делающих остановок в Твери, и московских пригородных поездов, до Твери не доезжающих, но в определённый момент времени занимающих рассматриваемые участки. Информации о движении этих поездов также находится в открытом доступе на сайте РЖД.

2.3 Интерфейс AnyLogic

Среда разработки AnyLogic является одной из ведущих на сегодняшний день в области имитационного моделирования. Программа не только включает в себя целый ряд готовых шаблонов объектов и агентов, но и позволяет создавать собственные. Языком программирования является JavaScript. Доступные библиотеки, пешеходная, автомобильная, железнодорожная, потоков и процессов, свободно взаимодействуют друг с другом. Например, в данной работе большая часть логики агентов задана элементами библиотеки железнодорожной, однако для имитации задержек необходим блок из библиотеки моделирования процессов. В версии предусмотренной учебной лицензией доступны диаграммы состояний и действий, возможность добавлять собственные элементы управления, проводить сбор статических данных о работе модели, моментально отражая их на наглядных графиках и диаграммах. Так же реализуема загрузка внешних данных из файлов и 3D визуализация работы модели.

При построении модели используемой в ВКР были применены железнодорожная библиотеке AnyLogic и библиотека моделирования процессов. Логика поведения агентов задаётся при помощи следующих блоков:

- Создает поезда, выполняет начальную настройку и помещает их в железнодорожную сеть. Начинает любую ж/д диаграмму процесса.

-

Моделирует движение поездов. Может рассчитывать маршрут и положение стрелок по ходу движения поезда по маршруту. Поддерживает функции ускорения и торможения.



- Удаляет поезда из модели. (Необходимо, в первую очередь, для экономии оперативной памяти. Позволяет избежать зависания при компиляции модели)

-

Сцепляет два поезда, которые "касаются" друг друга, в один.

- Расцепляет вагоны поступающего в блок поезда и создает из них новый поезд.

- Помещает поступающего в блок агента-поезд на заданный путь ж/д сети.

- Извлекает поступающий в объект поезд из ж/д сети и передает агента-поезд далее в обычную диаграмму процесса.

Задает специфические настройки для железнодорожной сети.

- Имитирует заданную входным данными задержку при компиляции модели.

В блоке trainSource можно настроить не только точку появления поездов, но и между их появлениями, а также их типы. Придать каждому уникальные "Крейсерскую скорость" *, "Ускорение" и "Торможение" (см. рис. 5.). По умолчанию указана стандартная длина грузового вагона. 2D и 3D анимация прописывается автоматически. (см. рис. 6,7.).

Рис. 5. Блок trainSource



Рис. 6. 2D анимация ЖД модели AnyLogic.

*- скорость движения с наименьшим расходом топлива на километр пути.

Рис. 7. 3D анимация ЖД модели AnyLogic.

Блок trainMoveTo отвечает, за направление и цель движения, особенности маршрута ("маршрут не должен содержать…" позволит исключить пересечение с расписание поездов пассажирских), а также действия при начале (двигаться с текущей скоростью / ускорять(тормозить) до крейсерской) и окончании (остановиться с текущей скоростью / остановиться с учётом заданного торможения) движения. (см. рис. 8.)

Рис. 8. Блок trainMoveTo

3. Имитационная модель участка

3.1 Подход к разработке имитационной модели

Как уже было сказано, есть два основных пути приращения товарооборота. Увлечение средней массы поездов, включающее в себя внедрение передовых моделей локомотив, освоение более совершенных конструкций вагонов, создание и использование всё более лёгких и прочных сплавов при изготовлении составов и рельс. Это колоссальная работа тысяч инженеров, конструкторов и металлургов. По этим показателям РЖД не показывает сильного отставания от мирового лидера железнодорожных перевозок - Германии.

Что же касается второго пути - увеличения скоростей. То в этой сфере всё большую роль начинают играть информационные технологии. Техническое "перевооружение" железных дорог, подразумевает внедрение современных средств автоматики, полуавтоматической и автоматической блокировки на перегонах с электрической централизацией стрелок на станциях, без которых немыслимо безопасное движение и пропуск поездов большой массы при скоростях движения. Данная автоматизация, а также выбор наилучших вариантов организации перевозок, строительства новых и расширения действующих железных дорог с учётом существующих взаимосвязей между личными параметрами технической оснащённости и показателями эксплуатационной работы железных дорог, в современном мире не мыслима без применения методов имитационного моделирования.

Основные задачи, в области железнодорожной логистики, решить которые призваны технологии моделирования состоят в:

· увеличении пропускной способности путей

· нахождении возможных усовершенствований, которые дадут максимальную полезность, требуя при этом минимальных издержек (дополнительные: узлы, развязки, платформы)

· исключении малейшей вероятности аварийных ситуаций на путях и станциях

· анализ ситуации и принятие решение на основе результатов, приближенных реальности, тестов

Наличие гибкой и интегрируемой модели каждого участка позволяет не только оптимизировать его работу, но и даёте чёткое понимание, какими путями улучшать его в соответствии со всевозрастающими требованиями и координировать с новыми, строящимися участками.

В среде AnyLogic есть возможности для создания таких моделей, отражающих интересующие нас показания и освобождающих от необходимости включать не имеющие отношения к исследованию части. Например, нет нужды задавать многокилометровую ветку, если большую часть её поезд проходит с фиксированной скоростью и без остановок. Создаются только интересующие участки, железнодорожные узлы и платформы. Проходя каждый такой участок поезд перейдёт к следующему с задержкой рассчитанной на основе расстояния между участками и заданными характеристиками поезда как агента.

3.2 Обобщённая модель процесса движения поездов на перегонах участка

Для моделирования движения на протяжении всего участка, его необходимо разделить на перегоны, в качестве которых, берутся известные расстояния между десятью железнодорожными узлами. (см. приложение 3) Как уже было сказано, большие расстояния можно опускать, просто задав задержку, за которую поезд прошёл бы этот не отображённый участок. Перегоны же 5-10км. быстрее и проще изобразить графически при помощи специального инструмента "Ж\д путь" в палитре библиотеки. С помощью инструмента масштабирования "scale" (см. рис. 9) задаётся длина созданного пути. Ставится в соответствие количество пикселей и единица измерения длины - метр, километр, миля, ярд и т.д. В данном случае это - 2 500 пикселей на километр.

Рис. 9. Линейка масштаба.

В точках пересечения или слияния нескольких железнодорожных путей, автоматически создаётся объект "railwaySwitch" - стрелка. (см. Рис. 10.) Сама по себе "стрелка" является просто графическим изображением соединения нескольких ж\д путей. Каждый ж\д путь задаётся как независимый объект, однако, сгруппированные, они, при помощи блока "railSettings", становятся единым объектом "railwayNetwork". Включённая в такую сеть стрелка становится настраиваемой, что необходимо для исключения вероятности столкновения составов.

Рис. 10. Железнодорожная стрелка.



Первый рассматриваемый перегон участка "Москва Товарная - Ховрино" начинается с крупной сортировочной станции (см. рис. 11) из двенадцати погрузочных платформ 1400 метров длиной, с уходом на запасные пути и двумя выходами в сторону области.

Рис. 11. Станция "Москва Товарная".

Имея в своём распоряжении два параллельных пути поезда продолжают своё движение два километра до следующего железнодорожного узла "Ховрино". (см. рис. 12)

Рис. 12. Станция "Ховрино".

На этой станции пути расходятся на четыре пассажирские платформы длиной 1400 метров. Так же имеется уход на запасные пути, способные разместить несколько крупных товарных поездов.

Начинающийся отсюда перегон "Ховрино-Химки" протяжённостью четыре километра, так же пролегает в черте города. Оканчивается он станцией "Химки" (см. рис. 13) на территории одноимённого города-спутника Москвы. Крупнейший узел рассматриваемого участка, он так же служит конечным пунктом для небольшой доли прибывающих товарных поездов, которые останавливаются для разгрузки на его запасных путях, не доезжая до "Москвы Товарной".

Рис. 13. Станция "Химки".

Первые и кратчайшие перегоны не представляют особого интереса для исследования, т.к. их запасные пути если не являются пунктом назначения для специальных вагонов, то используются либо в технических целях, либо в экстренных ситуациях. Это связанно с тем, что целесообразнее отправить поезд дальнего следования или грузовой позже нежели отправлять с расчётом остановить через два километра. Те незначительные выгоды за счёт использования этих платформ для разъезда поездов перевешиваются энергозатратными процессами разгона и торможения. Следующие перегоны: "Химки-Сходня", "Сходня-Крюково", "Крюково-Поварово", "Поварово-Подсолнечная", "Подсолнечная-Клин", мало чем отличаются от описанных выше. Платформы "Сходня", "Крюково", "Поварово" и "Клин" по характеристикам своим почти не отличаются от рассмотренной выше платформы "Ховрино" (см. рис. 12). А "Подсолнечная", близка к описанной ранее станции "Химки" (см. рис. 13), за исключением меньшего количества запасных путей.

Первым, представляющим реальный интерес является перегон "Клин-Решетниково". Станция "Решетниково" (см. рис. 14), лежащая на границе Московской области, является конечной для последних пригородных поездов (большая остановится уже в Клину), что конечно отчасти разгружает участок. Но в этом же месте два параллельных пути, тянувшихся от Москвы, сходятся в один. А значит отныне любые составы, двигающиеся с различной скоростью, пассажирские и грузовые, пригородные и дальнего следования, могут разминуться только на станциях, обладающих необходимым разветвлением или запасными путями. Так же примечательно, что на выезде из Решетниково, сразу перед сужением есть выход на большое количество запасных путей большой длины. (см. приложение 4) Скорее всего, это связано с необходимостью пропустить вперёд скоростные поезда.

Рис. 14. Станция "Решетниково".

Следующие 13 километров до станции "Завидово" (см. рис. 15) поезда проследуют по одному единственному пути, не имея возможности обгона. Т.е. расписание малоподвижных товарняков должно быть спланировано так, чтобы в те двадцать минут (при условии, что до "Завидово" поезду удавалось двигаться без остановок и существенной потери скорости) пути не потребовались другим, более быстрым пассажирским поездам.



Рис. 15. Станция "Завидово".

Путь расходится на три участка длиной около трёх километров оказавшись там одновременно со скоростным поездом, грузовой может пропустить его, не совершая полной остановки. В середине участков расположены грузовая и две пассажирские платформы длиной 1400 метров.

Далее следует подобный, однополосный перегон длиной 14 километров оканчивающийся аналогичной (см. рис. 15) платформой "Редкино". После чего последует самая длинная часть пути, до Твери - 34 километра. Приблизительно в 10 километрах от Твери пути снова раздваиваются, в районе металлургического предприятия ООО "Стройметалл", а за несколько километров до городского вокзала пути сворачивают на сортировочную станцию. Поезда, следующие дальше проходят через вокзал напрямую (см. рис. 16). программный anylogic железнодорожный моделирование

Рис. 16. Подъезд к городу Тверь, уход на сортировочную.



Задавая расстояния между смоделированными участками и дублируя участки с совпадающими характеристиками, все перегоны связываются в единую цепочку. Каждому участку присваивается свойство "Доступность", значение которого изменяется с течением времени в зависимости от наличия на нём пассажирского поезда или электрички. Участок, где пути дублируются, будет считаться занятым только в том случае, если по нему двигаются два состава одновременно. В противном случае он остаётся доступным для рассматриваемого в работе движения товарных поездов. Запускать же одновременно два товарных не представляется возможным из-за очень плотного пассажирского трафика в пригороде. Даже если полностью исключить фактор электричек, одному из параллельно следующих товарняков всё равно придётся свернуть на запасные пути в районе Решетниково, т.к. далее колея только одна.

На основе проделанной работы, при помощи информации о скоростных характеристиках товарных поездов можно провести анализ пропускной способности участка и выявить оптимальные варианты движения грузовых поездов без ущерба для действующего расписания поездов пассажирских.

3.3 Имитационная модель работы железнодорожного узла "Решетниково"

Так же в рамках ВКР была разработана имитационная модель, детально отражающая работу железнодорожного узла. Модели различных узлов, расположенных на одной ветке, могут быть связаны между собой при помощи блока "Delay" из библиотеки моделирования процессов (см. рис. 17), имитирующего задержку при исполнении процесса. Длительность задержки задаётся для каждого типа поезда индивидуально исходя из его скоростных характеристик.



Рис. 17 - Блок delay1 имитирующий минутную задержку электрички на посадочной платформе.

В ходе разработки был сформирован ряд требований к модели:

· Гибкость: входные данные могут меняться в зависимости от актуальных потребностей и особенностей расписания движения поездов всех типов.

· Скорость: так как для нахождения оптимальных решений необходимо проводить множество тестов, каждый эксперимент должен требовать небольшого количества времени.

· Интегрируемость: модель должна легко интегрироваться с ей подобными, а также иметь возможность загрузки информации из внешних баз данных.

· Наглядность: доступные в AnyLogic инструменты 3D визуализации относительно просты в использовании и позволяют достаточно быстро создать наглядные продукт, привлекательный для потенциальных пользователей.

· Простота в использовании: модель уже включает в себя алгоритмы, разработанные на языке JavaScript, позволяющие генерировать новых "агентов" (поезда) в соответствии с изменяющимися задачами.

В качестве детально моделируемого узла станция "Решетниково" была выбрана не случайно. Этот участок можно заслуженно считать одним из самых напряжённых, так как он включает в себя: депо пригородных поездов Московской области, разгрузочную платформу грузовых поездов, крупную сортировочную станцию с множеством запасных путей (см. приложение 4), грузовые и пассажирские поезда дальнего следования так же проходят через неё. Именно после Решетниково происходит сужение с двух путей, следующих на Тверь, до одного.

Рис. 18. Узел "Решетниково".

В разработанной модели задана логика движения четырёх типов поездов.

1) Пригородный поезд.

Рис. 19. Логика движения пригородного пассажирского поезда.

Состав генерируется при помощи функции TrainConstrPass (см. приложение 5), ставящей всегда первым вагоном локомотив, и формирующей остальной поезд из пассажирских вагонов. Блок PassSource помещает состав на пути в заданной точке, после чего тот при помощи блока PassMoveTo двигается до пассажирской платформы, где блок типа Delay, "Landing1", моделируют задержку в одну минуту для посадки и высадки пассажиров (см. рис. 20).



Рис. 20. Пригородный поезд останавливается в заданной точке для высадки пассажиров.

От посадочной платформы блок PassMoveTo1 посылает поезд в депо где тот "уничтожается" блоком PassTrainDispose.

2) Пассажирский поезд дальнего следования.

Рис. 21. Логика движения пассажирских поездов дальнего следования.

Генерируется блоком LongPassSource в той же точке, что и пригородный пассажирский поезд, при помощи функции TrainConstrPass (см. приложение 5). Блоком LongPassMoveTo направляется через станцию Решетниково для дальнейшего следования в сторону Твери. Логика движения задана так, чтобы исключить из пути платформу пригородных поездов (см. рис. 22). Количество путей на станции позволяет поезду пройти в обход остановившейся электрички.

Рис. 22. Настройки блока LongPassMoveTo исключающие платформу пригородных поездов из доступных при построении маршрута поезда дальнего следования.

3) Товарный поезд дальнего следования.

Рис. 23. Логика движения товарного поезда дальнего следования.

Блок CargoSource на основе функции TrainConstr (см. приложение 5) генерирует товарный состав, ставя первым вагоном локомотив и последующими с равной вероятностью вагоны типов CargoA, CargoB, CargoC и CargoD (см. приложение 5). Блок CargoMove направляет поезд на разгрузочную платформу. Данный блок, отвечающий за движение, настроен таким образом, чтобы при построении маршрута исключать платформы, требующиеся другим поездам. Блок типа delay "Unloading" создаёт задержку состава на разгрузочной платформе, после чего тот будет направлен дальше блоком CargoMove1 (см. рис. 24) и уничтожится в конце модели при помощи trainDispose.

Рис. 24. Товарный поезд дальнего следования покидает разгрузочную платформу "Решетниково".

Товарный поезд местного назначения.



Рис. 25. Логика движения товарного поезда местного назначения.

Генерирующийся блоком trainSource в той же точке, что и грузовой состав дальнего следования, при помощи аналогичной функции, но с иным количеством вагонов, товарный поезд местного назначения отправляется блоком trainMoveTo на запасные пути (см. рис. 26)

Рис. 26. Грузовой поезд на запасных путях станции Решетниково.

На запасных путях, при помощи блока trainDecouple, настроенного на отсоединение одного первого вагона, локомотив открепляется от состава и далее при помощи последовательной связки из трёх блоков типа TrainMoveTо огибает товарный состав по дуге, чтобы толкать вагоны на пути сортировочной станции. Первый блок направляет отсоединившийся локомотив вперёд, в точку stopLine3. В второй блок заставляет сдать назад, до точки stopLine1, используя более длинный дуговой путь (см. рис. 27). Важно запретить ему двигаться тем же путём иначе он просто присоединится обратно к составу, а компиляция модели прервётся.



Рис. 27. Локомотив огибает товарный состав по дуге.

Третий блок направляет его к точке stopLine2, куда он изначально тянул вагоны. Сталкиваясь с составом, локомотив прикрепляется к нему сзади, что позволит ему толкать вагоны для сортировки, не заперев при этом себя на запасных путях. К третьему блоку движения необходимо обязательно присоединить и настроить блок типа trainCouple, в противном случае программа воспримет столкновение с составом не как стыковку, а как аварию и прервёт прогон указывая на ошибку при выполнении дискретного события (см. рис. 28).

Рис. 28. Реакция программы на столкновение поездов.

Далее блок trainMoveTo4 направляет локомотив и вагоны, снова ставшие единым составом на сортировку. Блок delay сымитирует соответствующую задержку, перед уничтожением агента блоком trainDispose2.

Так же модель поддерживает загрузку внешних баз данных. Так, например, блок TrainSource, помещающий новые составы на пути, может делать это как с заданными вручную интервалами, так и на основе информации из SQL. При выполнении подобной работы это особенно удобно, так как позволит не вводить фиксированное расписание пассажирских поездов вручную.

На основе ряда тестов, проведённых с моделью, были получены результаты, позволяющие принимать оптимизационные решения для участка.

3.4 Результаты тестов

Доступное время движения грузовых поездов. На основе смоделированного участка Октябрьской железной дороги, при помощи построенной имитационной модели и доступной информации о движении пассажирских составов, можно вычислить интервалы времени, в которые пути доступны для движения товарных поездов. Например, сопоставив расписание пригородных поездов, проходящих через Решетниково, (см. таблицу 1) и поездов дальнего следования (см. приложение 2), вычисляются интервалы, подходящие для прохождения в них товарного поезда по данному перегону. Пересечение этих двух множеств даст искомые интервалы. Важно помнить о том, что пути дублируются только на первых восьми перегонах. А значит после "Решетниково", наличие даже одного пассажирского блокирует возможность движения грузовых.

Таблица 1. Расписание движения пригородных поездов до станции "Решетниково".

	Прибытие	Уходит в депо\следует дальше
1	6:06	В депо
2	6:41	Дальше
3	7:09	В депо
4	7:16	В депо
5	7:22	В депо
6	7:30	В депо
7	8:27	Дальше
8	9:10	В депо
9	9:24	В депо
10	9:30	В депо
11	9:34	Дальше
12	10:51	Дальше
13	15:12	В депо
14	15:29	В депо
15	16:20	В депо
16	17:12	Дальше
17	17:36	В депо
18	17:41	В депо
19	18:20	В депо
20	19:02	Дальше
21	19:26	В депо
22	19:34	В депо
23	19:55	В депо
24	20:37	Дальше
25	20:46	В депо
26	21:24	В депо
27	21:35	В депо
28	21:42	Дальше
29	21:58	В депо
30	22:23	В депо
31	22:31	Дальше
32	22:43	В депо
33	23:23	В депо
34	23:35	Дальше
35	23:55	В депо
36	00:15	В депо
37	1:13	В депо
	Минимальный интервал	4 минуты
	Наибольший интервал	4 часа 21 минута

(данные взяты из электронного расписания на сайте tutu.ru)

В рассмотренном случае, при условии прохождения грузовым станции "Решетниково" без остановок и существенной потери скорости, т.е. со скоростью крейсерской - 37км/ч., на преодоление остающихся 61км. товарному составу, с учётом "интервалов безопасности" потребуется 1 час сорок минут. Для того, чтобы товарные поезда использовали максимум потенциальных возможностей для движения, задаётся специальный алгоритм (см. Приложение 6). Согласно данному алгоритму поведение поезда определяется в первую очередь тем, есть ли необходимость делать остановку в Решетниково, для разгрузки, загрузки, отцепления или добавления каких-либо вагонов. В зависимости от этого, его целью становится либо разгрузочная платформа, либо движение дальше. В случае, если такая необходимость есть, существует два возможных варианта развития событий. Первый - если разгрузочная платформа свободна, поезд благополучно проводит на ней все необходимые операции и продолжает движение. В противном случае, состав направляется для ожидания на запасные пути. Когда товарный поезд, после остановки, (или сразу же, если остановка не требовалась) направляется для движения дальше необходимо разработать его маршрут через станцию. При построении маршрута на уровне стрелок должны исключаться пути, на которых уже находятся другие составы, или которые, будут вскоре востребованы. В первую очередь проверяются, самые приоритетные - пути для товарных поездов. В случае если они заняты, программа пытается направить состав через пассажирские платформы, в случае если они будут свободны от других составов достаточное количество времени. Для вычисления же моментов, в которые можно подавать грузовой состав на сужающиеся пути, проводится ряд тестов на основе действующих расписаний. Задавая в модели движение всех типов пассажирских поездов в соответствии с расписанием вычисляется время выхода каждого пассажирского поезда на сужение. Т.к. мы рассматриваем три типа пассажирских поездов с разной крейсерской скоростью исходя из расстояния находятся три промежутка времени, которые должны отделять каждый из них от идущего впереди грузового. Полтора часа перед "Сапсаном" двигающемся в среднем 180км\ч. Час и десять минут перед поездами с крейсерской скоростью 90 км\ч. И час перед поездами, двигающимися 60 км\ч. В случае если интервал получается большим возможен запуск нескольких товарных составов, с интервалом не менее восьми минут. Зная время прохождения этими составами станции "Решетниково", при помощи модели получаются следующие расчётные данные:

Таблица 2. Расчёт допустимых интервалов движения товарных поездов.

	Время выхода состава на сужающийся участок	Крейсерская скорость	Интервал перед его появлением на путях	Возможность запуска товарного состава
1	1:06	90	1 час 19 минут	1
2	1:17	90	11 минут
3	1:30	90	13 минут
4	2:04	90	34 минуты
5	2:29	90	25 минут
6	2:50	90	21 минута
7	3:19	90	29 минут
8	3:27	90	8 минут
9	4:56	90	1 час 19 минут	1
10	6:41	60	1 час 45 минут	5
11	7:53	90	1 час 12 минут	1
12	7:58	90	5 минут
13	8:27	60	29 минут
14	9:34	60	1 час 7 минут	1
15	10:51	60	1 час 17 минут	2
16	14:10	90	3 часа 19 минут	До 16ти составов
17	14:23	90	13 минут
18	14:40	180	17 минут
19	16:58	180	2 часа 18 минут	7
20	17:12	60	14 минут
21	17:28	60	16 минут
22	18:38	180	1 час 10 минут
23	19:02	60	24 минуты
24	20:20	180	1 час 18 минут
25	20:42	90	22 минуты
26	20:46	60	4 минуты
27	21:35	90	49 минут
28	21:42	90	7 минут
29	21:52	60	10 минут
30	22:31	60	39 минут
31	22:38	60	7 минут
32	22:49	60	11 минут
33	22:56	60	7 минут
34	23:17	60	21 минута
35	23:47	60	30 минут

Результаты испытаний показывают, что при оптимальном использовании путей и отсутствии каких-либо усложняющих ситуацию, но не отражённых в модели факторов, участок способен пропускать до 33ёх товарных составов в сутки без ущерба для расписания пассажирских поездов.

Как было упомянуто выше, сравнить вычисленное "расписание" товарных поездов, с реальным невозможно, так как последнее является коммерческой тайной ОАО РЖД. Так же говоря о прикладном использовании данной модели, стоит отметить, о том, что теми же самыми путями пользуются поезда особого назначения, такие как железнодорожные ракетные комплексы, информация о перемещении которых - тайна государственная.

Что касается оптимизационного решения, которое можно предложить на базе данной модели, то оно состоит в дублировании небольших участков путей, всего в несколько раз превышающих длину товарного состава. Разумеется, речь идёт не о многокилометровых товарняках, потому что укладка дублёра такой длины на этой ветке, где перегоны редко превышают 15 километров, по затратам была бы почти эквивалентна дублированию целого участка. Такими дублёрами, между Решетниково и Тверью являются, платформы: Завидово, расположенная в 14 км. от Решетниково и в 47 км от Твери, и Редкино, расположенная в 27 км. от Решетниково и в 34 км. от Твери. Оказавшись там одновременно с "Сапсаном", товарный поезд может пропустить его, не совершая при этом полной остановки. Активное использование этих дублёров и постройка ещё одного на 48ом километр пути позволило бы увеличить пропускную способность участка до 41го товарного состава в сутки (см. таблицу 3).



Таблица 3. Использование существующих и потенциально платформ для разъезда поездов.

Завидово	Редкино	Дополнительная платформа
	7:27 пропускает электричку (60км\ч)
8:02 пропускает поезд дальнего следования (90км\ч)
8:41 пропускает электричку (60км\ч)
		10:52 пропускает электричку (60км\ч)
		18:43 пропускает "Сапсан" (180км\ч)
	19:29 пропускает электричку (60км\ч)
		20:36 пропускает "Сапсан" (180км\ч)
23:38 пропускает электричку (60км\ч)	00:14 пропускает электричку (60км\ч)



Заключение

В ходе данного исследования была выявлена и проанализирована проблема планирования движения грузовых поездов. Их координации с нуждами предприятий и трафиком пассажирских составов пригородного и дальнего следования.

Были проанализирован ряд подходов предлагаемых научной литературой. В качестве оптимального и отвечающего всем возникающим требованием было выбрано имитационное моделирование.

С использованием данного метода был описан проблемный участок Октябрьской железной дороги и была построена имитационная модель железнодорожного узла "Решетниково". На основе экспериментов были вычислены и протестированы возможные варианты прохождения товарных поездов по участку. Выработаны рекомендации к минимизации простоя железнодорожных путей. Такие как, максимальное использование путей, предназначенных для пригородных пассажирских поездов, в ночное время суток и обеденные перерывы, а также дублирование небольших участков для обгона товарных поездов скоростными.

Подводя итоги исследования, можно сделать следующие выводы:

· метод имитационного моделирования крайне эффективен при решении прикладных задач в данной области, и задач, подразумевающих анализ сложных систем;

· в целях увеличения скорости грузовых перевозок и приращения товарооборота расписание движения как товарных, так и пассажирских поездов должно тестироваться при помощи имитационных моделей и корректироваться в соответствии с результатами экспериментов;

· спланированное дублирование определённых участков способно ощутимо повысить пропускную способность;

К перспективам данной работы следует отнести:

· разработку имитационных моделей для любых других проблемных участков железных дорог;

· детальное моделирование работы более сложных железнодорожных узлов, таких как приграничные (при въезде в Китай и большую часть европейских стран вагоны поднимают на домкрате, для смены вагонной тележки с российского стандарта 1520мм. на европейский 1435мм.), с целью оптимизации их работы.



Список используемой литературы

1. Шеннон. Имитационное моделирование систем - искусство и наука: пер. с англ. / под ред. Е.К. Масловского. - М.: Мир, 1978 - 411 с.

2. Colin Lewis. Demand Forecasting and Inventory Control [Electronic resource] - Elsevier B. V., 2013 ? Режим доступа : http://www.sciencedirect.com. ? Загл. с экрана.

3. S. Robinson (2008а). Conceptual Modeling for Simulation Part I: Definition and Requirements [Electronic resource] // The Journal of the Operational Research Society - 2008. - Vol. 59, No. 3 p. 278-290 - Palgrave Macmillan Journals, 2008 ? Режим доступа : http://www.jstor.org/stable/30132749 ? Загл. с экрана.

4. Стерлигова А.Н. Управление запасами в цепях поставок: Учебник - М.: ИНФРА-М, 2008. - 430 с. - (Высшее образование).

5. [Online resource] - http://www.rosmetrostroy.ru/articles-om.htm

6. Balsys K., Valin...