Метод оценки уровня организации и пропускной способности инфраструктуры железнодорожных узлов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

68

Современные технологии - транспорту

УДК 656.21.001.2 + 06

О. Н. Числов, В. В. Хан

Ростовский государственный университет путей сообщения

МЕТОД ОЦЕНКИ УРОВНЯ ОРГАНИЗАЦИИ И ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ИНФРАСТРУКТУРЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ УЗЛОВ

Важное значение при организации и продвижении грузо- и пассажиропотоков имеют железнодорожные узлы. Существующие схемные решения железнодорожных узлов чрезвычайно сложны ввиду многообразия формирующих их элементов и подсистем, функционирование которых связано с факторами неравномерности и случайности.

Рассматривается метод оценки уровня организации и пропускной способности инфраструктур железнодорожных узлов на основе положений теории систем. Предложена количественная оценка меры сложности узла в зависимости от вероятностных показателей происходящих в ней процессов перехода в новое качественное состояние. Уровень организации узловой системы определяется изменением ее неопределенности, степень которой характеризует энтропия. Определены уровни организации систем на примере основных узлов. Сделаны выводы об их пропускной способности и системе организации передачи грузопотоков.

железнодорожная инфраструктура, железнодорожный узел, железнодорожная станция, грузопоток, путевое развитие, энтропия системы, теория надежности, граф узла, теория систем, транспортнотехнологические процессы.

Введение

Железнодорожные узлы являются важнейшим инфраструктурным элементом, обеспечивающим эффективную работу транспортной сети России. Известно, что пребывание подвижного состава в узле составляет 5060 % всего времени оборота, в узлах концентрируется основной объем сортировочной работы. Удельный вес в общей переработке вагонов на железнодорожной сети - более 40 %.

Размещение узлов на территории страны существенно зависит от направлений транспортных потоков, мест добычи сырья, энергоресурсов и мест обработки. Несмотря на переустройство и большую работу по совершенствованию за прошедший период, многие железнодорожные узлы в России все еще не отвечают современным требованиям эксплуатации, имеют инфраструктурные недостатки и нуждаются в проведении дополнительных реконструктивных мероприятий. Для отдельных железнодорожных узлов характерно наличие многочисленных внутриузловых

соединений, осложняющих эксплуатационную работу, недостаточная пропускная способность участков, неэффективное использование путевого развития узловых станций.

Экспортно-ориентированная структура современной российской экономики определяет важность взаимодействия железнодорожных узлов с морскими глубоководными портами с учетом высокого потенциала проходящих через них международных транспортных коридоров.

В XXI в. Россия вступила в эпоху развития производственно-транспортного комплекса, функционирующего на основе жестких рыночных принципов. Современный этап развития экономики и транспорта России в условиях глобализации производственно-финансовых отношений характеризуется неустойчивой экономической ситуацией и кризисными явлениями.

Методы проектирования и направления развития железнодорожных узлов обоснованы и теоретически развиты в работах академиков И. П. Бардина, М. А. Павлова, В. Н. Образцо-

2013/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

69

ва, докторов технических наук, профессоров

С. П. Бузанова, А. С. Герасимова, Е. А. Гибш-мана, П. Ф. Дубинского, С. В. Земблинова, И. И. Костина, В. Д. Никитина, Ф. И. Ша-ульского, 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. Лаба-дин, А. Н. Неллингер, Л. Е. Плешков по праву считаются создателями российской школы генпланов.

Схемные решения по развитию узлов должны выполняться комплексно, в тесной увязке с перспективными планами развития городов, промышленных районов и всех видов транспорта как составных частей единой транспортной системы. Взаимное расположение станций, подходов главных и соединительных путей и обходов необходимо сопрягать с перспективами роста прилегающих населенных пунктов, промышленных предприятий и сооружений, других видов транспорта, соблюдением экономических, технических, архитектурно-планировочных и санитарно-гигиенических требований, удобствами населения обслуживаемого узлом района и экологическими требованиями.

При проектировании узлов необходимо руководствоваться принципами общей эффективности, комплексной оптимизации, концентрации, децентрализации, специализации, сохранения равновесия и пропорциональности развития отдельных элементов и подсистем узла и т. д. Не последнюю роль играют оборонный и архитектурный аспекты влияния узла.

1 Особенности технологии

работы южнороссийских

железнодорожных узлов

Полигон Северо-Кавказской железной дороги - филиала ОАО РЖД расположен на территории Южного федерального округа РФ и обслуживает 11 субъектов федерации. Девять стыковых пунктов дороги граничат с соседними железными дорогами: с ЮгоВосточной по станции Чертково; с Приволж-

ской по станциям Морозовской, Котельни-ково, Олейниково; Донецкой (Украина) по стыкам Успенская и Красная Могила, Приднепровской (Украина) по стыку Кавказ через паромную переправу Кавказ - Крым; Азербайджанской (Азербайджан) по стыку Самур, Грузинской (Грузия) по стыку Весёлое, Туркменской (Туркменистан) по стыку Махачкала-Порт через паромную переправу Махачкала - Туркменбаши.

На Северо-Кавказской дороге имеется 401 станция, в том числе 4 сортировочных: Батайск, Краснодар-Сортировочный, Лихая, Тихорецкая; 10 грузопассажирских; 20 участковых; 53 грузовых; 316 промежуточных. Из 401 станции для выполнения грузовых операций открыты 280, в том числе 49 станций производят грузовые операции с контейнерами. Из них 13 станций являются припортовыми [1]. Значительная часть экспортноимпортных перевозок и грузопотоков для строительства олимпийских объектов и объектов для футбольного первенства приходится на железнодорожные узлы Азово-Черноморского бассейна (Ростовский, Батайский, Краснодарский, Кавказский, Крымский, Новороссийский, Туапсинский, Тихорецкий, Азовский и др.), обслуживающие глубоководные порты. Примеры схем характерных железнодорожных узлов СКЖД приведены на рис. 1.

Несмотря на кризисные явления в экономике, на направлениях транспортных коридоров через узловые системы, включающие южнороссийские порты, сохраняются интенсивные грузопотоки (рис. 2). В настоящее время через транспортные узлы Юга России осуществляется более 15 % внешнеторговых железнодорожных перевозок. В 2011 г. порты увеличили погрузку экспортных грузов на 4,7 % [1, 2].

Развитие железнодорожных магистралей осуществляется в соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта до 2030 г., а также федеральными целевыми программами. Предусматриваются комплексные мероприятия по повышению конкурентоспособности железнодорожного транспорта, пропускной способности международных

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2013/4

а) объединенный узел «Р» и «Б»

70

Современные технологии - транспорту

2013/4

Proceedings of Petersburg Transport University

ISSN 1 81 5-588X. Известия ПГУПС 2013/4

в) узел «Т»

Рис. 1. Схемы железнодорожных узлов:

а - комбинированный с параллельными ходами; б - радиального типа; в - Т-образный тупикового типа;

г - радиального типа с петлевыми ходами

Современные технологии - транспорту

72

Современные технологии - транспорту

Нефть и нефтепродукты

16500

16000

15500

15000

14500

14000

13500

13000

15989 ■621 15933

..... 14393

1 4143

' ' 1 ' 1 '

2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г. 2011 г.

Строительные грузы

Уголь

Зерно

Рис. 2. Показатели погрузки основных грузов по СКЖД за 2007-2011 гг., тыс. т

2013/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

73

транспортных коридоров на Юге страны на основе инвестиционных проектов по устранению «узких» мест, по проектированию обходов узлов и развитию основных станций.

2 Методы формализации узловой железнодорожной инфраструктуры

Путевое развитие железнодорожных устройств узла должно удовлетворять минимуму маневровых пробегов, оптимальной потребности в локомотивах и рабочем персонале, обеспечивать наименьшее время оборота вагонов и локомотивов, удобство связи внутризаводских путей с линиями (станциями) общего пользования.

Поскольку станции являются стыковыми пунктами внутриузлового и внутризаводского транспорта (железнодорожного и других видов транспорта), в условиях большого объема погрузочно-разгрузочных работ неизбежно создание узловой складской систе-

мы, компенсирующей неувязку ритмов и неравномерность работы транспорта и производства.

Многообразие функций железнодорожных станций узла, тесная связь с предприятиями различных отраслей народного хозяйства «размывают» границы уровней схемной топологии. В табл. 1 приведены показатели железнодорожной инфраструктуры основных узлов СКЖД.

Из табл. 1 следует, что в состав железнодорожных узлов входит от 4 до 13 станций, протяженность железнодорожной инфраструктуры составляет от 250 до 570 км.

Одним из основных недостатков существующих станций большинства узлов является отсутствие современных технических средств, используемых при расформировании и формировании составов. Даже на такой крупной станции, как Минеральные Воды, сортировочная работа выполняется в основном с использованием силы тяги маневрового локомотива и тормозных башмаков.

ТАБЛИЦА 1. Показатели инфраструктуры железнодорожных узлов

Наимено- вание узла Коли- чество станций Общая протяженность, км

Главные пути узла Приемо- отправочные пути Сортировочные пути Погрузочно- выгрузочные пути Прочие пути

«Р» 10 62 64 59 60 133

«Б» 7 296 74 62 25 111

«Т» 8 104 33 25 35 71

«Л» 9 99 98 34 16 137

«М» 10 151 53 23 37 124

«П» 12 206 51 27 48 79

«Г» 13 225 65 19 33 69

«Ч» 6 90 39 31 31 64

«К» 9 80 64 37 10 16

«З» 12 142 104 30 15 36

«Х» 7 64 64 31 21 34

«Н» 4 37 31 35 26 95

«С» 12 246 68 10 2 20

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2013/4

74

Современные технологии - транспорту

Пропускную способность узловых станций можно определить двумя способами [3]: 1) непосредственным расчетом:

n =

1440m -X Тпост

t

зан

(1)

Подставив выражение для к (3) в формулу (2), получим

n=

1440m -X Тост

nl n2 n3

— t +—21 +—31 +

г ‘зан1 ' г ‘зан2 ' г ‘зан3 ~

n n n

(4)

где m - число параллельно работающих однородных элементов рассчитываемого устройства; £Гост - время занятия устройства в течение суток для выполнения постоянных операций, мин; t - средневзвешенное время занятия устройства одним поездом, мин;

2) при помощи коэффициента использования:

n

n = ~k ’

(2)

Знаменатель последней формулы представляет собой средневзвешенное время занятия устройства одним поездом. Пропускная способность станций основных узлов показана в табл. 2.

Для формализации узловых структур были составлены графы железнодорожных узлов с указанием длины ребер, связывающих вершины (станции). Примеры графов железнодорожных узлов приведены на рис. 3.

где п' - общее количество поездов различных категорий в графике движения; к - коэффициент использования пропускной способности устройства, который определяется из выражения

k

n1' t3aHl + n2 ' t3aH2 + n3 ' ^ан3 + •••

1440m -X Т,ост

(3)

где п[, п^, п3, ... - количество поездов различных категорий в графике движения; t t ,, t ., . - время занятия рассчитываемого устройства выполнением операций с поездом соответствующей категории, мин.

3 Энтропийный подход

к оценке уровней организации железнодорожных узлов

Для количественной оценки сложности узла используем состояние порогового значения мощности системы в зависимости от вероятностных показателей происходящих в ней процессов перехода в новое качественное состояние [4]. Тогда уровень организации узловой транспортной структуры (системы), или ее «избыточность»:

R = 1 - H/H

max

ТАБЛИЦА 2. Пропускная способность железнодорожных узлов

Наименование узла m YT ^ пост t зан п

«Р» 64 120 54 1704

«Б» 66 120 67 1417

«Т» 33 120 102 465

«Л» 98 120 78 1808

«М» 53 120 78 977

«П» 51 120 90 815

«Г» 65 120 102 916

«М» 39 120 114 492

2013/4

Proceedings of Petersburg Transport University

ISSN 1 81 5-588X. Известия ПГУПС 2013/4

Современные технологии - транспорту

76

Современные технологии - транспорту

где Н - текущее (фиксированное на данный момент времени) значение неопределенности системы; Н - максимально возможная неопределенность системы.

Понятие R (относительная организация) в пределах 0 < R < 1 позволяет сравнивать уровни организации узлов, имеющих различные структурные и функциональные возможности. Изменение уровня организации системы характеризуется изменением ее неопределенности, степень которой может характеризовать энтропия, определяемая по формуле

Н=-Гг=/ (A) log/ (AX

где A - состояние системы; P (A ) - вероятностный показатель состояния системы ( = = 1, 2, ..., n); n - количество возможных состояний системы; а = 2 - основание логарифма.

Каждую подсистему можно характеризовать энтропией двух случаев: вероятностью безотказной работы p и вероятностью отказа (задержек) q = 1 - p; тогда

Н = - (plogap + qlogaq).

Поскольку узловая система состоит из ряда зависимых подсистем, энтропия равна сумме энтропии одной из составных подсистем и условных энтропий остальных подсистем:

Н (xfl, Xj 2,..., xJS) =

= Н(xj■) + Н(xj2\xj1) +

+Н(xj.3 |xj1, xj■ 2) + ... +

+Н(xjs Ixj-l, xj2--xj(s-1)^

гдеj - индекс соответствующей подсистемы; Н(xj2 (/i^Н(xj3 \xj^ xj2),...,Н(xjS \xjb *

x.2,...,xj(s-1))- условные энтропии внутренних системных элементов j-подсистемы.

Максимальная неопределенность системы:

Н = log n.

Граф узла отражает вид узловых соединений, а теория вероятностей - надежность работы. Последовательное соединение объектов (блоков) управления надежностью р р ■ ■■,р приводит к тому, что надежность Р системы [5, 6]: P = pxx p2x... xpn; в случае параллельного соединения - к тому, что надежность Р' системы: Р' = 1 - (1 - pt) (1 - p2) ...

(1 - pn).

Для характеристики степени надежности системы примем вероятности распределения продолжительности интервалов времени между поступлением заявок (прибытием транспортных единиц) объектов узла на обслуживание и время безотказной работы всей системы, которые подчиняются закону Пуассона и имеют экспоненциальное распределение. Поскольку блоки системы отказывают независимо друг от друга, время безотказной работы r-го блока при r = 1, 2, ., n имеет экспоненциальное распределение Е (Xr) с заданным параметром X Рассмотрим функцию времени безотказной работы R (t) как некоторой случайной величины £, -времени безотказной работы технического устройства в целом: R (t) = P (£, > t) при t > 0. Если принять £, ~ Е (Xr), то R (t) = e-Xt. Поскольку £, = min ^2, ., ^ ,} и для всякого

t > 0 P £ > t) = P (^ > t) P (£> t) ... P Gn > t), то, с учетом вышесказанного, вероятность разрывов между поступлениями заявок для последовательно соединенных объектов

R(t) = P(^>t) =

= g-M . . . e~Xnt = e—xi+x2+-+xn)t

где Xt - среднее прибытие заявок за время t.

Для параллельно соединенных объектов в транспортной системе узла:

R'(t) = P'£ > t) = 1 - P (£ < t) = 1 -

P«. <t t < <• ■ 5n < ') = 1 - (1 - e-") n.

Из данной зависимости следует, что увеличение количества параллельно работающих блоков может оказаться неоправданным. Поэтому вопрос насыщения железнодорож-

2013/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

77

ного узла параллельными транспортными связями должен решаться комплексно, на основе технико-экономического обоснования. Неоправдан и рост количества узловых железнодорожных станций, так как при этом возрастает величина средней задержки поставки груза по причине уменьшения надежности, что вызывает рост приведенных затрат.

4 Определение уровней организации железнодорожных узлов

Рассмотрим пример определения уровня организации и вероятности безотказной работы для характерных узлов: «Р» - 10 станций в узле, «Б» - 7 станций, «Л» - 9 станций, «Т» - 8 станций, «М» - 10 станций, «П» -12 станций, «Г» - 13 станций, «Ч> - 6 станций (табл. 3) [7].

Например, для узла «Р» расчетные формулы имеют вид:

P = [0,34-0,99-0,32-0,95] [1 -- (1-0,36) • (1-0,95)] • [1 - (1-0,54-0,71) х х (1 - 0,26-0,84)] = 0,05;

H

max

log210

lg10 lg 2

3,32;

R = 1 - 029 = 0,914. 3,32

Для узла «Т»:

P = [0,89 • 0,8 • 0,84 • 0,48 • 0,89 • 0,84] х х [1 -(1 -0,95) • (1 -0,43)] = 0,21;

H = -(0,21 • log2 0,21 + 0,79 • log2 0,79) =

0,21 •lg0,21 + 0,79 •lg0,79 1 = 0,74;

lg2

lg2

Hmax = log28 = ^ = 3, lg2

0, 74

R = 1 —-— = 0,753.

Из табл. 3 следует, что средний уровень организации узлов составляет от 0,753 до 0,978, причем в узлах тупикового типа он принимает меньшее значение.

H = -(0,05 • log2 0,05 + 0,95 • log2 0,95) = = -(0,05 •lg0,05 + 0,95 •lg0,95) = 0,29;

lg2

lg2

Заключение

Данные расчеты позволят выявить «узкие» места в формировании структуры узлов при

ТАБЛИЦА 3. Ведомость определения уровня организации узлов

Наименование узла 1 II Н/Н max R

«Р» 0,05/0,95 0,29/3,32 0,914

«Б» 0,13/0,87 0,56/2,81 0,801

«Т» 0,21/0,79 0,74/3,0 0,753

«Л» 0,02/0,98 0,14/3,17 0,955

«М» 0,03/0,97 0,19/3,32 0,941

«П» 0,01/0,99 0,08/3,58 0,977

«Г» 0,01/0,99 0,08/3,7 0,978

«Ч» 0,1/0,9 0,47/2,58 0,819

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2013/4

78

Современные технологии - транспорту

насыщении ее транспортными связями и возможном увеличении пропускаемых поездопотоков. Важное значение для повышения надежности работы железнодорожного узла имеют также внедряемые единые технологические процессы взаимодействия узловых станций примыкания и подъездных путей предприятий в увязке с другими видами транспорта на основе контактных графиков, единых смен работы погрузочно-разгрузочных фронтов, машин и механизмов и информационного обеспечения перевозок.

Библиографический список

1. Транспорт России [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.transportrussia.ru.

2. Развитие железнодорожной инфраструктуры на подходах к портам Азово-Черноморского бассейна на перспективу до 2015 г. Выступление вице-президента ОАО «РЖД» В. Б. Воробьева //

Железнодорожный транспорт. - 2008. - № 1. -С.28-36.

3. Железнодорожные станции и узлы промышленных районов : учебник для вузов ж.-д. транспорта / Н. Н. Числов, В. Н. Дегтяренко, Е. Г. Лазарев, В. М. Астафьев, О. Н. Числов ; под ред. Н. Н. Числова. - Ростов н/Д : СКНЦ ВШ, 2004. - 568 с.

4. Работы по теории информации и кибернетике / К. Шеннон ; под. ред. Р. Л. Добрушина и О. Б. Лупанова. - Москва : Иностранная литература, 1963. - 832 с.

5. Теория вероятностей и математическая статистика в задачах : учеб. пособие для вузов / В. А. Ватутин. - Москва : Дрофа, 2003. - 328 с.

6. Математические основы кибернетики : учеб. пособие для вузов / Ю. М. Коршунов. -Москва : Энергоатомиздат, 1987. - 496 с.

7. Комплексные методы рационального размещения элементов транспортно-технологических систем в железнодорожных узлах : монография / О. Н. Числов. - Ростов н/Д : Рост. гос. ун-т путей сообщения, 2009. - 294 с.

2013/4

Proceedings of Petersburg Transport University