Теоретические основы рационального размещения элементов железнодорожных промышленных транспортно-технологических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

Теоретические основы рационального размещения элементов железнодорожных промышленных транспортно-технологических систем

Специальность: 05.22.01 - Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов, организация производства на транспорте

Числов О.Н.

Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре «Железнодорожные станции и узлы» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)»

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Н.В. Правдин

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор О.Б. Маликов (ПГУПС);

доктор технических наук,

профессор М.И. Шмулевич (Промтрансниипроект);

доктор технических наук,

профессор В.В. Багинова (МИИТ).

Ведущее предприятие - ОАО НИИАС (г. Москва)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. За 170 лет существования отечественного железнодорожного транспорта он был и остается источником и предпосылкой значительных успехов в жизни российского общества. На современном этапе деятельность магистральных и промышленных железных дорог заключается в эффективном удовлетворении рыночного спроса на транспортные услуги, повышении конкурентоспособности, достижении экономической эффективности и финансовой устойчивости, создании системы государственно-частного партнерства в целях реализации государственной политики в области экономики, обороны и развитии социальной сферы.

Железнодорожные промышленные транспортно-технологические системы (ТТС) являются важнейшим макроэлементом страны. От их надежной и экономичной работы зависит успех регионального развития и эффективность российской транспортной политики.

Особое место в производственно-транспортной структуре России занимает Северо-Кавказский экономический регион (СКЭР). Известно, что СКЭР - самый многонациональный район России с территорией площадью 355,1 тыс. км². Здесь проживает более 40 национальностей. По численности населения (17,7 млн чел.) СКЭР занимает третье место в РФ после Центрального и Уральского регионов. Средняя плотность населения района - 49,8 чел. на км², что более чем в 5 раз выше, чем в целом по России. На территории СКЭР размещены как сравнительно «молодые» по вводу в эксплуатацию, так исторически сложившиеся промышленно-транспортные системы практически всех видов и отраслей экономики (машиностроительная, угольная, нефтехимическая, цементная, пищевая, легкая промышленность, многоотраслевое сельскохозяйственное производство), имеется 12 припортовых станций, 9 международных портов, 3 крупнейших в РФ нефтеперевалочных базы.

Благодаря уникальному расположению между тремя морями (Черным, Азовским, Каспийским) по территории СКЭР проходят важнейшие транспортные коридоры мультимодальных и интермодальных перевозок (Восток - Центр - Запад, Центр - Север и Юг, международные транспортные коридоры № 7 - Дунайский и № 9 - Критский, автомобильная магистраль «Кавказ»).

Практика проектирования ТТС в условиях внедрения новых транспортных технологий требуют и новой методологии в размещении элементов промышленно-транспортных узлов. Потребность исследования таких вопросов обостряется имеющими место противоречиями в производственно-транспортном развитии. В настоящих условиях, несмотря на экономические коллизии, необходимо продолжать исследования вопросов рациональности компоновочных решений на основе новых критериев оценки и принятия вариантов.

Актуальность рассматриваемых проблем усиливается имевшей место хаотичной приватизации региональных железнодорожных транспортно-технологических инфраструктур, кризисными явлениями в экономики, промышленным строительством на основе корпоративных интересов.

Исследование вопросов проектирования железнодорожных промышленных ТТС основывается на богатых научных традициях, изложенных в отечественной и зарубежной научной литературе.

Методология проектирования промышленно-транспортных узлов обоснована в работах академиков И.П. Бардина, М.А. Павлова, В.Н. Образцова, докторов технических наук, профессоров С.П. Бузанова, А.С. Герасимова, С.Д. Гибшмана, П.Ф. Дубинского, С.В. Земблинова, И.И. Костина, В.Д. Никитина, Ф.И. Шаульского, К.Ю. Скалова, Н.Е. Ускова и многих других. Такие выдающиеся ученые и инженеры, как С.С. Берлянд, А.А. Волнин, А.С. Гельман, К.П. Костенецкий, С.И. Лабадин, А.Н. Неллингер, Л.Е. Плешков по праву считаются создателями российской школы генпланов.

Важный вклад в развитие современной теории взаимодействия видов транспорта, системного анализа транспортных проблем, проектирования транспортно-технологических и складских систем узлов внесли доктора технических наук, профессора Е.В. Архангельский, В.М. Акулиничев, В.И. Апатцев, В.И. Арсёнов, М.М. Болотин, В.В. Багинова, А.К. Головнич, И.А. Еловой, А.Т. Дерибас, В.А. Дмитриев, Ю.И. Ефименко, Б.Б. Жардемов, А.Я. Калиниченко, И.Т. Козлов, А.В. Кутыркин, П.В. Куренков, Б.А. Лёвин, Б.Л. Миротин, О.Б. Маликов, Э.А. Мамаев, А.Т. Осьминин, В.Я. Негрей, В.М. Николашин, Н.В. Правдин, В.В. Повороженко, В.А. Персианов, М.Б. Петров, С.М. Резер, А.А. Смехов, Н.К. Сологуб, Н.Н. Шабалин, В.А. Шаров, М.И. Шмулевич, В.Г. Шубко и другие ученые.

Теория управления региональным развитием исследована в трудах ученых-экономистов: А.Г. Аганбегяна, Д.М. Гвишиани, Б.М. Лапидуса, Н.Я. Петракова, Н.П. Терешиной и др.

Проблемы проектирования генеральных планов и транспорта промышленных предприятий, управления промышленными транспортными системами также рассмотрены в трудах Д.К. Белова, Т.П. Воскресенской, В.Н. Дегтяренко, Н.П. Журавлева, С.Н. Корнилова, А.Я. Локтева, В.А. Неверова, А.Н. Рахмангулова, М.Н. Стефаненко, В.И. Тиверовского, Б.Ф. Шаульского и др.

Однако в настоящее время задача реконструкции и развития ТТС сталкивается с трудностями поиска оптимальных мест размещения предприятий и транспортных коммуникаций. Современные решения по размещению элементов железнодорожных промышленных ТТС не всегда отвечают требованиям рациональности вследствие сложности и многовариантности задач: строительство промышленно-транспортных объектов производится однократно, а эксплуатация - в течение многих десятилетий. Целостная концепция системного подхода к вопросам рационального проектирования и размещения элементов ТТС находится в стадии формирования.

Существующие возможности развития промышленного производства СКЭР (8 % от общих объемов промышленности и 16 % от производства сельского хозяйства РФ) должны быть подкреплены новыми рациональными методами в размещении и проектировании промышленно-транспортных коммуникаций с учетом экологических и социальных составляющих.

Целью диссертационного исследования является разработка новой комплексной теории рационального размещения элементов железнодорожных промышленных транспортно-технологических систем с учетом значимых факторов.

Решаются следующие основные задачи:

- исследование научного, методического и практического опыта формирования схем железнодорожных промышленных ТТС;

- влияние основных факторов, определяющих эффективность размещения и использования элементов транспортно-технологических комплексов;

- разработка новой методики системной классификации промышленно-транспортных узлов с учетом современных требований и логистических концепций;

- определение условий, определяющих эффективность размещения и использования комплекса станционных объектов железнодорожных транспортно-технологических систем с учетом влияющих факторов;

- разработка новых моделей функционирования взаимоувязанного комплекса производственно-транспортно-складских устройств на основе применения методов математического программирования, теории вероятностей и массового обслуживания;

- разработка инструментария практического моделирования генерального плана агрегированного комплекса промышленно-транспортного узла с рациональным размещением производственно-транспортно-технологических систем на основе новых критериев оценки;

- практическое исследование возможностей рационального размещения центров поездных и маневровых нагрузок промышленно-транспортного узла; грузораспределительных комплексов, накопительных терминалов и производственно-транспортных подсистем;

- внедрение разработанных методов рационального размещения элементов железнодорожных промышленных ТТС в практику проектирования, в том числе автоматизированного.

Объектом исследования является техническое оснащение, компоновочные решения и технология работы основных железнодорожных промышленно-транспортных узлов Северо-Кавказского экономического региона и промышленных ТТС других регионов, взаимодействующих с СКЭР.

Предмет исследования - методология традиционного и автоматизированного проектирования генеральных планов железнодорожных промышленно-транспортных узлов и распределительных систем.

Методологической основой исследования послужили труды отечественных и зарубежных ученых в области проектирования и размещения элементов железнодорожных промышленных ТТС, применения методов системного анализа, экономико-математического программирования, теории графов, массового обслуживания в моделировании транспортных систем, а также программные документы, законодательные и нормативные акты Правительства РФ по развитию транспорта, региональные статистические данные. Эмпирические данные получены автором в процессе непосредственного обследования железнодорожных промышленных ТТС СКЭР.

На защиту выносятся:

1. Концепция и теоретическое обоснование размещения элементов железнодорожных промышленных ТТС на принципах рациональности.

2. Комплекс методов рационального размещения производственно-транспортно-технологических и складских систем промышленных узлов на основе системно-матричного моделирования.

3. Методы и оценочные критерии компоновочных решений размещения элементов транспортно-технологических систем при проектировании генпланов промышленных узлов.

4. Экономико-математические модели распределения внутрисистемного грузопотока размещаемых элементов ТТС на основе минимума транспортных расходов.

5. Практический инструментарий реализации проектов рациональных компоновок ТТС на основе созданных программных научных комплексов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- определена концепция размещения и проектирования ТТС с выделением новых требований системной классификации промышленно-транспортных узлов;

- впервые разработана теория рационального размещения элементов железнодорожных промышленных ТТС на основе универсального методологического подхода;

- создана методика системно-матричного представления железнодорожных промышленных ТТС и комплекс математических моделей с критериями рациональности, адаптированных к условиям проектирования;

- разработана модификация критерия оптимальности метода двойного предпочтения при размещении объектов и создана на ее основе методика последовательности выбора объектов в зависимости от вида транспорта;

- сформирована интегральная функция оценки эффективности проектного решения по размещению элементов ТТС относительно установленных критериев надежности, энтропии и уровней организации производственно-транспортных структур;

- определены основные системологические парадигмы рационального проектирования и установлены механизмы их использования на основе прикладных программных комплексов постановки задач и принятия решений.

Практическая значимость и реализация результатов исследования. Разработанные автором в диссертации методы, модели и алгоритмы решения задач реализованы в программных научных комплексах: «узел», «станция», «сортировочный комплекс», «размещение», «терминал», «путевое развитие», которые позволяют в автоматизированном режиме размещать и проектировать элементы транспортно-технологических систем узлов с учетом взаимодействия различных видов транспорта при перевозках грузов.

Разработанная в диссертации методология рационального размещения и проектирования элементов ТТС реализована проектными институтами:

«Кавжелдорпроект» г. Ростов - при компоновке вариантов реконструкции складских комплексов Чертково, Невинномысская, Донская-Промышленная Ставропольского края и новом строительстве терминалов Ростовского и Крымского узлов; при разработке масштабных планов основных станций главного хода северного направления Сев.-Кав. ж. д.; при формировании рекомендаций по переустройству станций Крымская, Адлер, 9 км;

ОАО «Мосгипротранс» г. Москва, отдел «Станций и узлов» - при разработке технического проекта накопительно-перегрузочного терминала в районе 9 км Крымского узла; при реконструкции четной сортировочной системы станции Лихая;

Службой перевозок Северо-Кавказской железной дороги - при зонировании территории предприятий северо-западного промузла с грузовой станцией Ростов-Западный; при развитии Крымского, Новороссийского транспортных узлов; при переустройстве важнейших сортировочных станций дороги (Батайск, Краснодар, Лихая). Теория принципиального развития промышленного узла при размещения транспортно-складских объектов внедрена в логистическом центре СКЖД с выбором размещения терминального комплекса на станции Заречная Ростовского узла.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку: на Международной научно-практической конференции Ростовского государственного строительного университета (РГСУ, г. Ростов н/Д, 1997 г.); на Четвертой Международной научно-практической конференции «Телекоммуникационные и информационные технологии на транспорте России - ТелеКомТранс-2006» (г. Сочи); на LXVI Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (г. Днепропетровск, ДИИТ, Транспортная академия Украины, май 2006 г.); на научно-теоретических и научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Ростовского государственного университета путей сообщения (РГУПС) в 2000-2009 гг. Результаты исследований докладывались и были одобрены на расширенных заседаниях и семинарах кафедр «Станции и грузовая работа» и «Управление эксплуатационной работой» РГУПС; «Организация перевозок и дорожного движения» РГСУ; «Железнодорожные станции и узлы» МИИТа и ПГУПС (ЛИИЖТа) в 2007 - 2009 гг.

Результаты диссертации также использовались при подготовке учебных курсов «САПР ж.-д. станций», «Проектирование пассажирских, грузовых станций и узлов», «Контейнерно-транспортная система», «Технология и автоматизация проектных работ», «Железнодорожные станции и узлы» РГУПС и РГСУ; в курсовом и дипломном проектировании, о чем получен акт внедрения и гранты Северо-Кавказской и Приволжской железных дорог.

Публикации. Результаты авторских исследований опубликованы в 55 печатных научных работах. Из них по теме диссертации - 37 работ общим объемом 35 п.л., в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК - 11, в двух монографиях и четырех главах учебника для вузов «Железнодорожные станции и узлы промышленных районов».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и шести приложений. Общий объем работы - 368 страниц, 124 иллюстрации, 85 таблиц. Список использованных источников включает 196 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены проблемы, цели, задачи исследования и защищаемые положения. Исследована структура, показатели транспортного комплекса страны и Северо-Кавказского экономического региона (СКЭР). Определены направления развития железнодорожных промышленных транспортно-технологических систем СКЭР согласно федеральным целевым программам.

В первой главе «Промышленно-транспортные системы и узлы. Методический и практический опыт формирования схем» рассмотрен методический и практический опыт формирования схем важнейших промышленно-транспортных систем СКЭР (Ростовский, Таганрогский, Азовский, Волгодонский, Шахтинский, Гуковский, Краснодарский, Крымский, Новороссийский, Ставропольский, Нальчинский, Владикавказский, Махачкалинский и другие узлы), создававшихся в разные периоды времени. Зарубежный опыт проектирования исследован на примере узлов США, Германии, Франции, Японии.

Так как в промышленно-транспортном узле одновременно функционируют системы транспорта общего пользования, промышленного транспорта и производства (рис. 1), то нельзя рассматривать выбор транспортной системы узла как локальную задачу для перемещения грузов и пассажиров в данных местных условиях. Здесь требуется комплексный подход к методике расчета, размещения и проектирования с учетом большого количества значимых факторов: геолого-географических; архитектурных и пространственно - планировочных; производственно-технологических; перегрузочно-складских; системно-транспортных; инженерных коммуникаций и связи; природоохранных; социально-экономических, экологических, оборонных требований, технико-экономических и др.

Рисунок 1- Cтруктура производственно-транспортно-складской системы узла

Исторически сложилось, что «старые» ТТС размещены вблизи жилых застроек, что при дальнейшем развитии городов вызывает положение производств внутри селитебных зон. Это приводит к нерациональной компоновке, запутанным транспортно-технологическим схемам, нарушениям требований безопасности и экологической напряженности.

Рациональное проектирование промышленно-транспортных систем зависит от состава предприятий и принятых методов компоновки, выбора транспортной схемы узла, вида промышленного транспорта, формы транспортного обслуживания предприятий, концентрации транспортно-складской системы, объемных и стоимостных показателей.

В большинстве существующих железнодорожных ТТС на долю промышленных грузовых железнодорожных перевозок приходится: 95 % общего объема - в Гуково-Зверевском узле, до 92 % - в Магнитогорском узле, 89 % - в Нижне-Тагильском, 96 % - в Дебальцево-Должанском, 79 % - в Карагандинском. Протяженность железнодорожных линий этих узлов достигает 700 км, число железнодорожных станций приближается к 32. В настоящее время функционирует свыше 116 предприятий межотраслевого промышленного железнодорожного транспорта (ППЖТ), объединенных в 50 акционерных обществ, и два государственных предприятия. Ежегодно всеми ППЖТ перевозится около 250 млн т грузов и выполняется свыше 180 млн т погрузочно-разгрузочных работ.

Крупные промышленные железнодорожные узлы развиваются, как правило, по смешанным схемам: кольцевым и тупиковым с примыканием к общесетевой станции, расположенной под углом или перпендикулярно к производственно-складской системе; с примыканием к промышленной станции с параллельным и последовательным размещением предприятий.

Исследования трудов отечественных и зарубежных ученых показывают, что чаще всего для поиска оптимальных моделей распределения грузопотоков промышленных узлов, размещения распределительных центров используются методы экономико-математического программирования, теории массового обслуживания, экспертных оценок. Однако методы комплексного рационального размещения объектов промышленно-транспортных систем с учетом современных социально-экологических факторов исследованы недостаточно.

Так как Северный Кавказ с уникальными рекреационными ресурсами является, пожалуй, единственной крупной здравницей России, то в создании единой методологии размещения и проектирования элементов ТТС необходимо учитывать воздействия производственно-транспортных объектов на окружающую среду (ОС).

При проектировании и размещении предприятий в узлах следует учитывать, что основными источниками загрязнения ОС являются производства черных и цветных металлов, моторных топлив, резинотехнических изделий, дорожно-строительных материалов. Например, промышленные узлы нефтеперерабатывающей и химической промышленности используют до 30 видов сырья и до 100 видов ингредиентов; на среднем НПЗ насчитывается до 1500 трубчатых печей, в которых сжигается 6-8 % топлива от общего количества перерабатываемой нефти.

Для анализа социальных факторов (численность населения, миграция, темп роста) можно использовать демографические модели - правило 72; уравнение Ферхюльста-Перла:

где - численность населения в момент времени t при t = 1, 2,…, k; - численность населения в момент времени t = 0; s, r - вещественные положительные постоянные роста населения, причем

В оценке эффективности размещения транспортных подсистем необходимо учитывать степень пассажирской доступности для доставки трудящихся к местам производства и перемещения в непроизводственных сферах. Пассажирскую доступность можно оценивать стоимостным выражением сэкономленного времени проезда по формуле где - экономия времени на проезд трудящихся за счет рационального проектирования транспортной сети узла, пассажиро-час; - стоимость одного пассажиро-часа, руб.

Потери производительности труда вследствие транспортной усталости возможно оценивать косвенным показателем - потерей заработной платы с функциональной зависимостью .

Таким образом, необходимо формирование общей интегральной функции оценки варианта рационального размещения производственных и транспортных подсистем узла с учетом комплексных структурно-технологических требований.

Заложенная выдающимися отечественными проектировщиками в XX веке теория рациональной компоновки системных элементов промышленно-транспортных узлов претерпела ряд незначительных изменений, вызванных в первую очередь техническим прогрессом. Однако, прогрессивный блочно-модульный подход в компоновке производственно-транспортных объектов имеет недостаточное применение и не формализован в виде сквозной универсальной модели от микро- до макроуровня узла с критериями экономической эффективности. В диссертации исследуется вопрос создания теории рационального проектирования и размещения элементов транспортно-технологических и складских систем в промышленно-транспортных узлах на основе новых адаптированных методов и алгоритмов.

Во второй главе «Основные факторы, определяющие эффективность размещения и использования комплекса станционных устройств в промышленных узлах» выполнен анализ грузо- и пассажиропотоков СКЭР до 2020 г. По прогнозам государственных программных документов в транспортной сфере намечается их рост по сравнению с 2007 г. За счет развития существующих портов и портовых станций Азово-Черноморского бассейна, нового строительства порта Железный Рог в Крымском узле Таманского полуострова, накопительной станции с терминалом на 9 км, строительства и электрификации двухпутных линий годовой объем перерабатываемых экспортно-импортных грузов может достичь 100 млн т. Основными грузами являются нефть и нефтепродукты, лес, металл, уголь, удобрения, цемент. На Таманском направлении намечается в перспективе пропуск более 50 пар грузовых поездов. К курортам Черноморского побережья ожидается рост пассажиропотоков в 2 раза по сравнению с существующим положением. Предлагается перераспределить 25 пар пассажирских поездов с Новороссийского направления на Анапское.

Существующая топология путевого развития промышленных узлов и станций, мощности сортировочных и перерабатывающих устройств не позволяют освоить растущие потребности в перевозках грузов и пассажиров в рассматриваемом регионе. Наличие однопутных линий на основных направлениях подходов к портам уже сейчас сдерживает освоение растущих объемов из-за отсутствия резервов пропускной способности.

Требуется развитие практически всех железнодорожных и промышленных узлов СКЭР: Ростовского, Лиховского, Краснодарского, Крымского, Новороссийского и др. Промышленные станции узлов (заводские, портовые, грузовые) не имеют современных сортировочных устройств. Расформирование вагонов выполняется маневровыми локомотивами толчками и осаживанием с использованием тормозных башмаков.

Исследование емкости путевого развития общесетевых станций Шахтинского, Гуковского, Новороссийского, Краснодарского, Ростовского, Крымского и других промышленных узлов показало, что более 50 % станций имеют короткую длину путей: до 720 м - 14 %; до 849 м - 40 %; до 1049 м - 35 %; свыше 1050 м - 11 %. Удельный вес суммарной длины станционных путей по отношению к общей протяженности железнодорожной сети промышленных узлов ведущих отраслей промышленности сильно различается и составляет: для черной металлургии - более 17 %, для угольной промышленности - 14-15 %, в машиностроении - 10-12 %, в энергопроизводящих узлах - 8-9 %.

Анализ зависимости путевого развития 58 станций основных узлов СКЭР от количества обслуживаемых ими предприятий обрабатывающей и добывающей промышленности (рис. 2) показал, что имеется значительный разброс значений с наибольшей плотностью путевой топологии от 3-х до 45 путей (без учета главных путей) при количестве предприятий от одного до 28. В областях полученных значений можно наметить кривые аппроксимации значений: 1) - для постов, разъездов и промежуточных станций с количеством путей до 15; 2) - для небольших грузовых станций с количеством путей 10-30; 3) - для распределительных станций с количеством путей 25-45; 4) - для крупных (опорных) грузовых станций с количеством путей 50-100; 5) - для внутриузловых сортировочных станций с количеством путей более 90. Для небольших станций графики зависимостей имеют экспоненциальный характер с переходом в линейную зависимость для крупных узловых станций.

Рисунок 2 - Схема зависимости путевого развития станций от количества обслуживаемых предприятий

На промышленном железнодорожном транспорте характерной особенностью является небольшая протяженность железнодорожных путей на одном предприятии - в среднем около 7 км. Более 75 % промышленных предприятий имеют протяженность путей до 2 км и только 10 % - более 5 км. Хотя, на предприятиях открытых горных разработок и производств с полным металлургическим циклом путевое развитие может достигать 300 км и более.

Промышленные сортировочные станции (их в металлургии - 8, в угольной промышленности - 10, «Промжелдортрансе» - 5) в перспективе сохраняют свою основную функцию по переработке вагонопотоков и формированию маршрутных поездов. Заводские и грузовые станции (их около 1000) организуют маневровую работу по подаче и уборке вагонов грузополучателям; подборку и распределение порожних вагонов предприятиям; регулирование отправления передач на ЗСС; согласование ритма работы с общесетевыми станциями. Путевое развитие промышленных станций и их техническая оснащенность значительно отстают от станций транспорта общего пользования и требуют дальнейшего переустройства и модернизации.

Комплексные требования к проектированию железнодорожных станций в промышленных узлах можно представить укрупненной схемой (рис. 3).

Рисунок 3 - Комплексные требования к проектированию и размещению железнодорожных станций в промышленных узлах

Исследования зависимости количества приемоотправочных путей на промышленных сортировочных (грузовых) станциях от числа принимаемых или отправляемых поездов (подач) показали, что наибольшую достоверность для описания имеют аппроксимационные полиноминальные и степенные функции.

Зависимость рациональной величины съема вагонов с одного пути сортировочного парка промышленной станции от количества вагонов в расформировываемом поезде и количества приведенных назначений имеет логарифмическую зависимость. Максимальная достоверность линии тренда R² достигается для 40 вагонов в расформировываемом поезде и 20-30 обслуживаемых грузовых фронтов (рис. 4).

Рисунок 4 - Диаграмма зависимости величины съема вагонов с одного пути сортировочного парка от количества вагонов в расформировываемом поезде (подаче)

Уровень организации транспортно-технологических операций в промышленном узле зависит от взаимодействия системных элементов с различными свойствами. Для целей исследования топологии промышленной железнодорожной сети (ПЖДС) используются вероятностные и логико-функциональные зависимости с адаптацией критериев рациональности размещения. ПЖДС включает в себя узлы распределения вагонопотоков и соединительные связи (ж.-д. пути). Учитывая это, технологические линии обслуживания грузо- и поездопотоков (T_i) в узле могут быть совмещены с соответствующим уровнем технического оснащения станционных структур (P_j) и пространственным расположением (S_k). Уравнениями можно описать ряд трансформационных действий (композицию соответствий), сводящих технологические операции, мощность путевого развития и пространственное положение ТТС узла к видам произведений множеств:

где - подмножество технологических операций;

- подмножество вариантов станционных структур (промышленно-транспортных объектов);

- подмножество пространственных положений системных элементов узла;

Q, R, Z - композиции соответствий подмножеств.

Ограничивающим критерием является совпадение области значений первого соответствия с областями определений второго и третьего соответствия

Композиция соответствий подмножеств q={технологические операции, вариант станционной структуры} и r ={вариант станционной структуры, пространственное положение} запишется в виде . Так как модельная схема взаимодействия элементов транспортных систем узла является зависимой функцией, то для исследования применяется (с допущениями) аппарат неоднородных по времени цепей Маркова.

В рассматриваемой главе разработаны рациональные транспортно-технологические структуры промышленных сортировочных и грузовых станций как многоканальных систем обслуживания. Уточнен моделирующий алгоритм функционирования транспортно-технологической системы железнодорожной станции и сформирована блок-схема алгоритма (рис. 5) процесса обслуживания заявок технологических фаз станции, где б, в, г, щ - базисные элементы ТТС станции.

Для формализации скорости транспортного обслуживания железнодорожной ТТС введен критерий оценки - коэффициент задержки по видам подсистем с определением уровня организации подсистемы маневровой работы , который выражается через интегральный безразмерный показатель, оценивающий количественную и качественную стороны организации технологического процесса. Функция имеет вид

где - продолжительность межоперационных интервалов; - продолжительность технологических операций; - удельные приведенные расходы по подсистеме.

Рисунок 5 - Блок-схема алгоритма процесса обслуживания заявок

Временная характеристика использования элементов транспортных подсистем по времени и их длительность занятия оценивается коэффициентом задержки обслуживания, который равен

,

где - количество транспортных подсистем, участвующих в передаче вагонопотока;

- общее время нахождения вагонопотока в i-й транспортной подсистеме узла с учетом времени ожидания обслуживания;

- время непосредственной обработки вагонопотока в i-й транспортной подсистеме промышленно-транспортного узла.

Совокупность исследований, выполненных в данной главе, позволила определить техническое состояние станционных устройств портовых, промышленных (заводских) и грузовых станций общей сети; установить факторы, влияющие на эффективность взаимного размещения предприятий и станций в узлах при отводе земель и удобстве транспортного обслуживания, установить перспективные направления развития железнодорожных ТТС на основе прогнозируемого роста грузо- и пассажиропотоков юга России.

В третьей главе «Разработка математических моделей функционирования взаимоувязанного комплекса производственно-транспортно-складских устройств в узлах» рассматриваются научные основы рационального размещения производственных, транспортно-технологических и складских систем в промышленных узлах на основе универсальных моделей сквозного проектирования. Сложность транспортного узла определяется числом системных элементов; мощностью транспортных потоков, обслуживаемых ими; разветвленностью технологических связей и степенью их взаимодействия; удобствами эксплуатации и т.д. Изменение уровня организации системы характеризуется изменением ее неопределенности, мерой степени которой принята энтропия где A_i - состояние системы; P(A_i) - вероятностный показатель состояния системы (i = l,2, ..., n); n - количество возможных состояний системы; а = 2 - основание логарифма.

В общей системе «промышленно-транспортный узел» можно выделить основные три подсистемы в соответствии с методикой зонирования:

- «транспортно-складская зона» ТСЗ с ;

- «производственно-заводская зона» ПЗЗ с ;

- «предзаводская и административная зона» ПЗА с .

Каждую подсистему можно характеризовать энтропией двух случаев: вероятностью безотказной работы p и вероятностью отказа (задержек) q=1-p. Тогда . Для промышленно-транспортной системы, состоящей из ряда зависимых подсистем, энтропия равна сумме энтропии одной из составных подсистем и условных энтропии остальных подсистем

где j - индекс соответствующей подсистемы;

- условные энтропии внутренних системных элементов j-подсистемы.

Уровень организации производственно-транспортной системы можно определить из выражения где . Тогда

.

Для оценки эксплуатационной надежности размещаемых элементов ТТС может использоваться аппарат теории вероятностей по видам транспортных связей объектов (станций, предприятий, терминалов, баз). При последовательном соединении надежности р₁, р₂, …, р_n блоков приводят к следующей надежности

где - среднее прибытие заявок за время t.

Для параллельно соединенных объектов ТТС -

Последовательность рационального проектирования транспортно-технологических систем промышленного узла на основе системно-матричного представления следующая:

1 - фиксируются центры распределения грузопотоков промышленного узла со стороны железнодорожного, автомобильного, водного и других видов транспорта с назначением точек входа груза (сырья) (t_вх): заводские сортировочные, сырьевые станции; точек выхода (t_вых): примыкание предзаводских площадок к магистральной автодороге или другим видам транспорта;

2 - определяются положения селитебной (СЗ) и защитных зон (ЗЗ) по намечаемому уровню размещения и виду развития производства, категории промышленности и перспективе роста;

3 - намечается исходное местоположение и размеры производственно-заводской зоны (ПЗЗ) в соответствии с грузопотоками и площадями предприятий, топологией узла, нормам отвода земель, требованиями СНиП, экологическими, социальными и архитектурными требованиями. Предприятие с наименьшими геометрическими размерами принимается за модуль зоны;

4 - определяются размеры транспортно-складской зоны (ТСЗ) для каждого предприятия по величинам годовых грузопотоков, технологии производства и складирования;

5 - рассчитываются размеры и площади предзаводской (технологической) административной зоны (ПЗА) каждого предприятия с учетом установленных размеров ПЗЗ и ТСЗ, а также выбор наименьшего и пересчет других ПЗА по коэффициенту кратности.

На рис. 6 приведена системно-матричная форма представления генерального плана узла обрабатывающей промышленности. Предприятиям с преобладающим грузопотоком присваиваются порядковые номера рядов размещения j и порядковый номер уровня размещения объектов k. Для предзаводской зоны ряды размещения j разбиваются на подряды u, а уровни размещения объектов ПЗА (g) - на подуровни m.

Постановка задачи: на заданной территории промышленного узла при известных местоположениях центров поездных и маневровых нагрузок, селитебных и защитных зон, необходимо так разместить предприятия и производства с транспортно-складскими и предзаводскими зонами, чтобы суммарные приведенные транспортные расходы на внутриузловые перевозки были минимальными.

Экономико-математическая модель имеет вид:

где П(L) - годовые приведенные расходы на перевозку грузов, тыс. руб.;

- вектор, определяющий расстояния перевозки грузов видами транспорта для - множества вариантов размещения узловых объектов;



Рисунок 6 - Изображение узла обрабатывающей промышленности в матричной форме с зонированием территории

i - количество предприятий узла (i = 1,…,n); j - количество рядов размещения предприятий на уровнях ТСЗ (j = 1,…,r); k - количество уровней ряда ТСЗ матрицы (k = 1,…,z); g - количество уровней ряда ПЗА матрицы (g = 1, …,h); u - количество подрядов размещения объектов на уровнях ПЗА матрицы (u = 1, …, v); m - количество подуровней размещения объектов на зоне ПЗА системной матрицы (m = 1,…, p);

C_i^жд , C_i^авт, C_i^зт - стоимость перевозок 1 т i-го рода груза железнодорожным, автомобильным и промышленным (заводским) транспортом, руб./т•км;

Е_н - коэффициент приведения капитальных вложений к текущим затратам;

К_i^жд , К_i^авт, К_i^зт - одноэтапные капитальные вложения в подвижной состав и инфраструктуру железнодорожного, автомобильного, промышленного (заводского) транспорта, тыс руб.;

L_ijk^жд, L_ijk^зт - расстояния перевозки i-го груза от точки входа железнодорожным транспортом до центра тяжести ТСЗ предприятия на j-м ряде размещения k-го уровня матрицы узла и промышленным транспортом от центра тяжести ТСЗ до центра тяжести ПЗЗ, км;

L_ijugm^авт, L_ijugm^зт - расстояния перевозки i-го груза промышленным транспортом от центра тяжести ПЗЗ до центра тяжести склада зоны ПЗА на j-м ряде размещения u-го подряда размещения g-го уровня и m-го подуровня зоны ПЗА системной матрицы и автомобильным транспортом от центра тяжести склада ПЗА до точки выхода, км;

Q_{i пр(отпр)}^жд, Q_{i пр(отпр)}^зт, Q_{i пр(отпр)}^авт - расчетный годовой объем прибытия (отправления) грузов i-го предприятия железнодорожным, промышленным (заводским) и автомобильным транспортом, т.

Параметры модели:

1) величины поставок грузов и расстояния перевозок положительны

Q_i^{жд,зт,авт} > 0, L_ijk^жд > 0, L_ijk^зт > 0, L_ijugm^авт > 0, L_ijugm^зт > 0

при i = 1,…, n; j = 1,…, r; k = 1,…, z; g = 1,…, h; u = 1,…, v; m = 1,…, p;

2) стоимости перевозок и капитальные вложения положительны

С_i^жд > 0, С_i^зт > 0, С_i^авт > 0, К_i^жд > 0, К_i^авт > 0, К_i^зт > 0 при i = 1,…, n.

Ограничения: 1) соотношения суммарного объема завоза грузов и вывоза для предприятий промышленного узла:

;

2) сумма объемов завоза грузов железнодорожным и автомобильным (или другими видами) транспортом по всем предприятиям узла равняется общему грузопотоку прибытия узла ;

3) сумма объемов вывоза грузов железнодорожным и автомобильным транспортом по всем предприятиям узла равняется общему грузопотоку отправления узла .

Открытая транспортная модель приводится к закрытому виду при назначении фиктивного потребителя В_n+1 или фиктивного поставщикa А_m+1, потребность которых равна

Стоимость перевозок по видам транспорта рассчитана по укрупненным показателям с коэффициентами увеличения роста цен.

Решение транспортной задачи начинается с подготовки исходных данных, выбора вида транспорта, определения размеров ПЗЗ, ТСЗ, ПЗА промышленного узла по видам производств, построения начального плана размещения предприятий и выбора метода последующего его улучшения.

На основе анализа существующих методов компоновок транспортно-складских и предзаводских зон промышленных узлов, выгрузочных терминалов, баз материально-технического снабжения автором разработан метод системно-матричного изображения объектов и математический аппарат оценки вариантов размещения на основе модификации критерия оптимальности метода двойного предпочтения, согласно которому из массива данных объектов для размещения первым выбирается объект не с наибольшими величинами грузопотоков Q_сутⁱ, а с наибольшими удельными расходами Р_i^max («весом») на перевозку всей массы i-го груза соответствующим видом транспорта на единицу расстояния.

Размещать объекты системной матрицы промузда следует начинать на ряде и уровне с наименьшим расстоянием перевозок:

Р_i^max = (С_i^авт + С_i^жд) • q_i • 1 км ?L_i^min = (L_ijk^жд + ?L_i^зт + L_ijugm^авт),

где ?L_i^зт - условно постоянная дальности перевозки i-го груза промышленным (заводским) транспортом для ряда и уровня размещения зон ТСЗ, ПЗЗ и ПЗА соответствующего производства.

Последовательность поуровневого размещения объектов выполняется по разработанному алгоритму. После нахождения варианта рационального размещения объектов к транспортным расходам магистральных перевозчиков добавляются затраты на перевозку грузов промышленными (специальными) видами транспорта

В экономико-математической модели задачи размещения объектов узлов добывающей промышленности (открытых горных разработок, лесо- и торфодобывающих, химической, угольной) требуется учитывать расходы на транспортировку грузов несколькими видами специального транспорта (с мест добычи, на пунктах переработки и перегрузки на общую сеть).

Применение матричных форм в агрегации объектов промышленных узлов позволяет не только повысить качество и сократить временные затраты процесса проектирования, но и главное - учесть субъективные (транспортно-складские) и объективные (системные) требования к проектированию промышленных узлов. При значительном количестве размещаемых объектов задача усложняется и для ее решения целесообразно использовать ЭВМ. Применение вычислительной техники позволяет динамически менять местоположение не только объектов, но и точек входа и выхода грузов при привязке генплана к реальным условиям, изменять общую площадь ТСЗ, ПЗЗ и ПЗА, учитывать изменения транспортных расходов.

Для анализа вариантов компоновок и степени распределения величин стоимостей перевозок между видами транспорта узла, необходимо определить ранг объекта R_i на основе выборки значений «весов» от максимального к минимальному, присваивая каждому порядковый номер (табл. 1). Зависимость «весов» объектов оценим коэффициентом эквивалентности расходов равным , где - стоимость перевозок i-го груза на единицу расстояния железнодорожным транспортом, млн руб; - стоимость перевозок i-го груза на единицу расстояния автомобильным транспортом, млн руб.

Правильность размещения объекта на системной матрице узла оценим дальностью перевозок по видам транспорта и коэффициентом эквивалентности расстояний перевозок по видам транспорта, равным

.

Таблица 1 - Ранжирование предприятий узла

№ пп	Наименование предприятий	Стоимость перевозки всего груза на 1 км, млн руб.		Ранг, R
		Ж.-д.	Авт.		Ж.д.	Авт.		Коэф. эквивал. расходов	Итоговый
1	A
2	B
…	………..	……	…..	….	….	….		…..	…..
		…….			…..
n	Z

Тогда, последовательность выборки объектов узла определяется следующим условием , результатом которого будут значения для каждого объекта в порядке уменьшения стоимостей перевозок грузов и возрастания значений коэффициентов эквивалентности с учетом ранга объекта.

Следовательно, имеет место следующее соотношение:

Критерии рациональности расположения предприятий на рядах системной матрицы узла:

- расходы на перевозку по объектам одного ряда должны возрастать от первого уровня к последнему: П_ij1 < П_ij2 <...< П_ijk <...< П_ij(k-1) < П_ijz , k = 1, ... , z;

- размещенному объекту с наибольшими расходами на перевозку грузов железнодорожным (автомобильным) транспортом должно соответствовать наименьшее расстояние: П^{жд (авт)} _ijk min УL_ijk^{жд (авт)} ;

- группе объектов соответствующей зоны одного ряда узла с наибольшими «весами» должно соответствовать наименьшее общее расстояние перевозки:

Выполнение трех условий соответствует рациональной компоновке объектов узла на уровне системной матрицы.

Следующим этапом является решение задачи рационального размещения центров поездных и маневровых нагрузок узла (сортировочных, распределительных и сырьевых станций). Постановка задачи: необходимо найти такой вариант размещения сортировочной (распределительной) станции в железнодорожной промышленной ТТС, который обеспечивает минимум расходов на внутриузловые перевозки при известном размещении обслуживаемых станций и грузовых фронтов предприятий.

Целевая функция транспортных расходов имеет вид

.

Параметры модели: с_ij > 0.

Ограничения: Q_min ? Q ? Q_max;

где q_i - объем перевозок между сортировочной станцией и i-й станцией назначения (i = 1, …, n);

j - место размещения i-й станции назначения груза (j = 1, …, m);

Q - общий объем перевозок грузов от сортировочной станции, расположенной в j-м месте узла, до i-х грузовых станций;

с_ij - стоимость перевозок 1 т груза до i-й станции назначения, расположенной в j-м месте узла, руб./ткм;

В - капитальные затраты на строительство сортировочной станции по варианту размещения, млн руб.;

Е_н - коэффициент приведения капитальных вложений к текущим затратам;

Q_min - минимальный объем сортировочной работы, при котором целесообразно строительство самостоятельной сортировочной станции;

Q_max - максимальный объем сортировочной работы для данной станции.

При решении задачи возможны М пунктов расположения станции при n количестве существующих обслуживаемых станций. Схема ж.-д. сети узла изображается в виде графа (рис. 7). Для решения задачи используется комбинаторный метод попарных сравнений маршрутов перевозок. По матрице смежности графа определяются полустепени исхода и захода (количество транспортных связей), а также степень любой вершины графа. Решение транспортной задачи формализовано для автоматизации расчетов и выполнена апробация на примере размещения распределительной станции в Ростовском и Крымском (Таманском) узлах.

Таблица 2 - Матрица кратчайших расстояний по вариантам размещения сортировочной станции

i ст j вар.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	УLij
1	1	10	9	5	8	9	5	2	4	3	6	62
2	2	12	10	6	6	7	3	1	5	4	4	60
3	9	18	16	12	5	1	4	7	8	9	5	94
QCC	20	15	12	6	14	5	6	4	3	10	5	100 поездов

Примечание:

- место расположения станции в узле; М₁¹ - первый вариант размещения в пункте 1; М₂⁸ - второй вариант размещения в пункте 8; М₃⁶ - третий вариант размещения в пункте 6; Q - объемы перевозок грузов в поездах от сортировочной станции к i-й станции.

Решение транспортной задачи апробировано на примерах размещения распределительных станций в узлах обрабатывающей промышленности.

Рациональное размещение в промышленных узлах транспортно-складских систем, выгрузочных баз и грузораспределительных центров определяется на основе адаптированных экономико-математических моделей.

В сводной табл. 3 приведены целевые функции решаемых задач размещения различных транспортно-складских систем узлов при установленных ограничениях. В задаче размещения распределительных центров число независимых уравнений равно (m+n-1). Общее число переменных х_ij равно mЧn, число базисных переменных равно m+n-1, число свободных переменных равно Для построения первоначального плана используется метод «северо-западного угла» с последующим решением задачи по методу потенциалов.

...