CC BY
1
^ проблематика транспортных систем
УДК 656.1
Многокритериальный подход к отбору вариантов создания сети железных дорог
Н. А. Медведева, В. С. Шварцфельд
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Россия, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Медведева Н. А., Шварцфельд В. С. Многокритериальный подход к отбору вариантов создания сети железных дорог // Известия Петербургского государственного университета путей сообщения. СПб.: ПГУПС, 2024. Т. 21, вып. 2. С. 398-408. DOI: 10.20295/1815-588Х-2024-02-398-408
Аннотация
Цель: в статье приводится многовариантный подход к отбору вариантов начертания полигона сети на территории малоосвоенного района. Методы: при освоении месторождений природных ресурсов необходимо качественно проводить комплексную оценку устойчивости развития соответствующего региона и разрабатывать стратегии его развития. Малоосвоенный район можно отнести к проблемным регионам, к которым относятся слаборазвитые или депрессивные районы. Под малоосвоенными районами (регионами) авторы понимают территории большой площади, на которой проживает малочисленное население, слабо развито или полностью отсутствует железнодорожная сеть путей сообщения, с одной стороны, а с другой — имеются богатейшие запасы месторождений природных ресурсов, которые не могут быть в полной мере задействованы. Обоснование создания топологии сети железных дорог в таких районах является сложной задачей. В статье раскрыты основные теоретические положения ее решения. Результаты: для оценки перспективного развития сети железных дорог в таких районах с учетом ее социально-экономического развития предложен многокритериальный подход. Изложены основные положения методики формирования вариантов создания сети железных дорог с использованием теории графов и их последовательной многокритериальной оценкой. Практическая значимость: приводится конкретный пример расчета, показывающий работоспособность предложенной методики, позволяющей обоснованно принимать решения по отбору вариантов создания топологии сети железных дорог в малоосвоенном районе.
Ключевые слова: железные дороги, топология сети железных дорог, пути сообщения, проблемные регионы, малоосвоенный район, слаборазвитый район, теория графов, депрессивный район, многокритериальная задача, обоснование создания сети железных дорог.
Введение
Вопросы, связанные с созданием и развитием сети железных дорог в малоосвоенных районах страны, поднимались неоднократно [1-4].
На взгляд авторов, одним из первоочередных и приоритетных направлений является продолжение исследований в области обоснования строительства новых железных дорог в малоосвоенных районах России
для создания опорной транспортной сети с целью освоения природных ресурсов, создания благоприятных условий для размещения новых добывающих и перерабатывающих предприятий, увеличения плотности населения.
Вопросы создания опорной сети железных дорог тесно связаны с перспективным планированием социально-экономического развития регионов в Российской Федерации.
Цель
В данной статье вопросы, связанные с обоснованием создания топологии сети железных дорог, рассматриваются применительно к регионам, имеющим определен-
ные проблемы социально-экономического характера. В работе [5] рассматриваются проблемные регионы (рис. 1), к которым, безусловно, можно отнести и малоосвоенные районы.
Проблемные регионы
Слаборазвитые (отсталые) Имеют низкий уровень жизни;
длительный застой; низкая интенсивность хоздеятельности,
промышленности; слабый научно-технический потенциал; малоразвитая социальная сфера
Депрессивные В отличие от отсталых, при более низких, чем по стране, показателях в прошлом эти регионы были развитыми, имели потенциал, но потеряли свое экономическое значение
Рис. 1. Схема для относительного описания регионов
В контексте изучаемой темы малоосвоенные регионы — это регионы с большой территорией, малочисленным населением, слабым развитием или полным отсутствием железнодорожной сети путей сообщения, богатейшими запасами месторождений природных ресурсов. Данные регионы из-за слаборазвитой добывающей и перерабатывающей промышленности являются депрессивными с точки зрения устойчивого развития и роста валового регионального продукта. В малоосвоенных регионах (арктическая зона, Сибирь, Прибайкалье и Дальний Восток) имеется огромный потенциал социально-экономического развития, который может быть поэтапно реализован только благодаря созданию обоснованной сети путей сообщения и в первую очередь железных дорог. Создание методики обоснования создания сети железных дорог в малоосвоенных районах является основной целью авторов данной статьи.
Исходные данные и методы расчета
В данной статье авторы продолжают исследования, предложенные в работах [6-8]. Решением задачи, связанной с выбором варианта трассы отдельной железнодорожной линии, занимались различные ученые. Одни из последних исследований отражены, например, в работах [9-13].
Для решения задачи обоснования создания сети железных дорог необходимо иметь следующие исходные данные: граф потенциальной сети железных дорог, состоящий из узлов (опорные пункты) и звеньев между узлами. Звенья представляют собой отдельные трассы железнодорожных линий, состоящих из перегонов с размещенными на них раздельными пунктами. Звенья имеют реальные длины, количество малых искусственных сооружений, суммарную длину средних и больших мостов и т. п. показатели. Одни из узлов потенциальной сети железных дорог является станцией примыкания сети
к существующей магистральной железной спективной сети. Вариант с двумя станциями дороге. В данной работе рассматриваются два примыкания, как рассматривалось авторами варианта расчетной схемы топологии сети: в [6], в этой работе не предусматривается. без дополнительного узла (рис. 2, а) У каждого звена графа, в свою очередь, мои с дополнительным узлом (рис. 2, б). До- жет быть несколько вариантов начертания. полнительный узел может быть полезен для Варианты трасс и их показатели пред-улучшения и разнообразия начертания пер- ставлены в табл. 1.
Рис. 2. Варианты расчетных схем
ТАБЛИЦА 1. Трассы и варианты
Линия ж/д, i Вариант трассы, у Параметры (показатели) р
d1 , км dг , шт. d3 , м d4 , Га
А-1 1 100,07 47 547,55 538,95
2 101,13 43 642,67 543
А-2 1 196,75 137,00 2139,21 1993,02
2 192,66 129,00 2060,92 1922,44
А-3 1 104,56 85 2086,46 616,2
2 101,26 85 2042,15 602,8
1-2 1 103,7 86 980 1037,02
2 103,74 81 1090 1037,42
1-3 1 185,709 141 2374,47 1878,15
2 183,542 138,5 2380,58 1846,38
2-3 1 99,24 36 891 704,65
2 102,83 37 985 999,48
Окончание ТАБЛИЦЫ 1
Линия ж/д, i Вариант трассы, у Параметры (показатели) р
d1 , км d2 , шт. d3 , м d4 , Га
1-В 1 98 50 1786,2 981,32
2 95,5 54 1593,4 964,76
3 97,7 44 2059,1 977,98
4 95,2 48 1866,3 961,54
В-3 1 86,175 88 520,39 884,84
2 87,709 91 588,27 900,17
2-В 1 95,71 70 1203,44 993,94
2 97,25 102 1368,98 998,16
В-А 1 99,5 35 770,23 994,86
2 92,86 51 779,18 928,5
На первом этапе среди вариантов топологии сети железных дорог выбираются наилучшие по критериям, определяемым по формулам (1) и (2). Данные критерии представляют собой нормализованные значения каждого из представленных в табл. 1 показателей.
Нормализованные значения при минимизации частных показателей определяются по формуле:
г.
jp d™*_d
mm Р
(1)
где — показатель соответствующего варианта топологии сети железных дорог; ^тт , ^тах — соответственно минимальное и максимальное значение соответствующего показателя из рассматриваемых вариантов топологии. Нормализованные значения при максимизации частных показателей определяются по формуле:
imax 1 dp
г. = —--.—
ЗР 7 шах _/7тш
ар ар
(2)
В качестве показателей (частных критериев) в данном случае выбраны:
1. Длина трассы (суммарная длина трасс по рассматриваемой сети), , км;
2. Количество малых водопропускных сооружений (сумма по сети), , штук;
3. Протяженность средних и больших мостов, , м;
4. Площадь земли отвода, , га.
Минимизации подлежат все четыре показателя и, следовательно, расчеты производятся по формуле (1).
За критерий отбора в данной работе принимается обобщенный нормализованный критерий ¥, определяемый как сумма нормализованных частных показателей с учетом коэффициента важности (полезности) ^ каждого из них. Коэффициенты приняты на основе экспертной оценки и имеют следующие значения: = 0,4; = 0,15; Х3 = 0,2;
= 0,25.
После соответствующих расчетов итоговые результаты сведены в табл. 2.
Схема сети железных дорог будет иметь вид, представленный на рис. 3 (показаны варианты начертания без оценки звеньев сети).
ТАБлицА 2. Выбор начертания трасс железнодорожных линий между узлами сети железных дорог
Линия Вариант Параметры Сумма
ж/д, i трассы, у d1 , км d2 , шт. d3 , м d4 , га F. = У À •r. j ^ i ip
А-1 1 0 1 0 0 0,15
2 1 0 1 1 0,85
А-2 1 1 1 1 1 1,00
2 0 0 0 0 0,00
А-3 1 1 0 1 1 0,85
2 0 0 0 0 0,00
1-2 1 0 1 0 0 0,15
2 1 0 1 1 0,85
1-3 1 1 1 0 1 0,80
2 0 0 1 0 0,20
2-3 1 0 0 0 0 0,00
2 1 1 1 1 1,00
1 1,0 0,6 0,4 1 0,82
1-В 2 0,1 1 0,0 0,2 0,23
3 0,9 0 1,0 0,8 0,75
4 0,0 0,4 0,6 0 0,18
В-3 1 0 0 0 0 0,00
2 1 1 1 1 1,00
2-В 1 0 0 0 0 0,00
2 1 1 1 1 1,00
В-А 1 1 0 0 1 0,65
2 0 1 1 0 0,35
Рис. 3. Варианты расчетных схем перспективной топологии сети железных дорог
Следующим шагом (этапом) будет перебор возможных начертаний сети. Критерием отбора принят показатель — суммарная длина сети железных дорог. Отбор предлагается производить методом Прима по минимуму
протяженности сети. Результаты отбора вариантов топологии приведены в табл. 3.
Для дальнейшего расчета приняты схемы формирования опорной сети железных дорог, изображенные на рис. 4.
Рис. 4. Схемы сетей для сравнения
ТАБлицА 3. Схемы сетей железных дорог для сравнения
Варианты Трассы в сети, i Параметры (показатели), р
сети, у d, км d2, шт. d3, м d4, га
1-А 100,07 47 547,55 538,95
1 2-А 192,66 129 2060,915 1922,44
3-А 101,26 85 2042,15 602,8
Сумма по параметрам 393,99 261 4650,615 3064,19
1-А 100,07 47 547,55 538,95
2 3-А 101,26 85 2042,15 602,8
2-3 99,24 36 891 704,65
Сумма по параметрам 300,57 168 3480,7 1846,4
Окончание ТАБлицЫ 3
Варианты сети, у Трассы в сети, i Параметры (показатели), р
d, км d2, шт. d3, м d4, га
3 1-А 100,07 47 547,55 538,95
3-А 101,26 85 2042,15 602,8
3-В 86,175 88 520,39 884,84
2-В 95,71 70 1203,44 993,94
Сумма по параметрам 383,215 290 4313,53 3020,53
4 1-А 100,07 47 547,55 538,95
1-2 103,7 86 980 1037,02
3-А 101,26 85 2042,15 602,8
Сумма по параметрам 305,03 218 3569,7 2178,77
5 1-2 103,7 86 980 1037,02
2-3 99,24 36 891 704,65
2-А 192,66 129 2060,915 1922,44
Сумма по параметрам 395,6 251 3931,915 3664,11
6 1-2 103,7 86 980 1037,02
2-А 192,66 129 2060,915 1922,44
3-А 101,26 85 2042,15 602,8
Сумма по параметрам 397,62 300 5083,065 3562,26
7 1-А 100,07 47 547,55 538,95
2-А 192,66 129 2060,915 1922,44
2-3 99,24 36 891 704,65
Сумма по параметрам 391,97 212 3499,465 3166,04
8 А-В 92,86 51 779,18 928,5
1-В 95,2 48 1866,3 961,54
3-В 86,175 88 520,39 884,84
2-3 99,24 36 891 704,65
Сумма по параметрам 373,475 223 4056,87 3479,53
По формулам (1) и (2) аналогично предыдущему этапу определяются наилучшие варианты по каждому показателю и рассчитывается нормализованный критерий для каждого варианта сети (табл. 4).
ТАБлицА 4. Результаты расчета
Варианты сети, j Суммы из табл. 3 Нормализованные параметры сумм из табл. 3 F= r. ^ i jp
Параметры, р Параметры, р
d, км d2, шт. d3, м d4, га ri Г2 r3 r4
1 393,99 261 4650,615 0,67 0,39 0,11 0,13 0,17 0,80
2 300,57 168 3480,7 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0
Окончание ТАБлицЫ 4
Варианты сети, у Суммы из табл. 3 Нормализованные параметры сумм из табл. 3 К= ^ • л>
Параметры, р Параметры, р
й, км й, шт. й, м й4, га Г1 Г2 Г3 Г4
3 383,215 290 4313,53 0,65 0,34 0,14 0,09 0,16 0,74
4 305,03 218 3569,7 0,18 0,02 0,06 0,01 0,05 0,13
5 395,6 251 3931,915 1,00 0,39 0,09 0,05 0,25 0,79
6 397,62 300 5083,065 0,94 0,40 0,15 0,17 0,24 0,99
7 391,97 212 3499,465 0,73 0,38 0,05 0,00 0,18 0,61
8 373,475 223 4056,87 0,90 0,30 0,06 0,06 0,22 0,66
Результаты
В соответствии с проведенными расчетами (табл. 4) можно сделать вывод, что наилучшим начертанием сети будет являться вариант № 2, так как нормализованный критерий F. = 0. На рис. 5 иллюстрируется топология сети железных дорог,
соответствующая этому варианту. Близким к наилучшему является вариант сети № 4, который также может быть использован для дальнейшего рассмотрения. Наихудшим из представленных вариантов является вариант № 6: включает в себя наибольшие показатели параметров для расчета.
Рис. 5. Итоговая сеть
Предложенный многокритериальный подход для предварительного отбора альтернативных вариантов создания топологии сети железных дорог в малоосвоенных районах будет являться основой создаваемой авторами методики обоснования формирования опорной транспортной сети.
Библиографический список
1. Кибалов Е. Б. Проблема транспортного освоения Сибири: железнодорожные проекты XXI века // Транспорт Российской Федерации. 2006. № 4. С. 10-13.
2. Ткаченко В. Я., Малов В. Ю. Северо-Рос-сийский транспортный коридор — приоритетный
объект развития опорной транспортной сети страны // Транспортное строительство. 2007. № 4. С. 4-7.
3. Копыленко В. А., Быков Ю. А., Круглов В. М. и др. Северные и восточные районы России — важнейший полигон расширения сети железных дорог страны в XXI веке // Транспортное строительство. 2008. № 4. С. 2-4.
4. Шварцфельд В. С., Едигарян А. Р., Баранова В. В. Перспективы развития железных дорог Южной Якутии // Проектирование развития региональной сети железных дорог. 2019. № 7. С. 6-16.
5. Кривко С. Р. Типы проблемных регионов РФ и предпосылки их существования // Теория и практика общественного развития. 2012. № 11. С. 317-322.
6. Медведева Н. А., Шварцфельд В. С. Формирование и отбор вариантов топологии сети железных дорог в малоосвоенных регионах // Известия Транссиба. 2023. № 3 (55). С. 66-73.
7. Медведева Н. А., Шварцфельд В. С. Обоснование создания топологии сети железных дорог в малоосвоенных районах / Транспорт: проблемы, идеи, перспективы: сборник трудов LXXXШ Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Санкт-Петербург, 17-24 апреля 2023 года // СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I. 2023. Т. 1. С. 357-362. EDN РБТКОН.
8. Шварцфельд В. С., Медведева Н. А. Модель развития сети железных дорог в малоосвоенных районах / IV Бетанкуровский международный инженерный форум: электронный сборник трудов, Санкт-Петербург, 30 ноября — 2 декабря 2022 года // СПб: Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, 2022. С. 402-404. EDN VJXLOT.
9. Подвербный В. А., Казарина В. В. Многокритериальный выбор направления проектируемой железной дороги // Транспортное строительство. 2019. № 3. С. 2-5. EDN HCYQSH.
10. Казарина В. В., Подвербный В. А. Принятие решения по выбору варианта трассы железнодорожной линии // Мир транспорта. 2019. Т. 17, № 3 (82). С. 140-151. DOI 10.30932/1992-3252-2019-17-3-140151. EDN NQLQXP.
11. Перелыгина А. А., Подвербный В. А. Пример принятия решения в области проектирования железных дорог // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. 2018. Т. 1. С. 606-611. EDN XSHYZF.
12. Быков Ю. А., Фадеева В. А., Кожевников В. В. Многофакторный анализ конкурентоспособности вариантов направления проектируемых железных дорог // Проектирование развития региональной сети железных дорог. 2019. № 7. С. 154-161. EDN ZUCPBA.
13. Быков Ю. А., Сидраков А. А., Фадеева В. А. Формирование множества вариантов направления проектируемых железных дорог и оценка их конкурентоспособности // Качество. Инновации. Образование. 2020. № 1 (165). С. 44-49. DOI 10.31145/1999-513х-2020-1-44-49. EDN YSCVTY
Дата поступления: 05.05.2024 Решение о публикации: 28.05.2024
Контактная информация:
МЕДВЕДЕВА Наталия Алексеевна — аспирант кафедры «Изыскания и проектирование железных дорог», +7 (931) 970-89-04; [email protected] ШВАРЦФЕЛЬД Вячеслав Семенович — док. техн. наук, профессор, профессор кафедры «Изыскания и проектирование железных дорог», +7 (914) 541-53-20; [email protected]
A multi-criteria approach to the selection of options for creating a railway network
N. A. Medvedeva, V. S. Shvartcfeld
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russia
For citation: Medvedeva N. A., Shvartcfeld V. S. A multi-criteria approach to the selection of options for creating a railway network // Proceedings of Petersburg Transport University. 2024. Vol. 21, iss. 2. P. 390-408. (In Russian). DOI: 10.20295/1815-588X-2024-02-398-408
Abstract
The article provides a multivariate approach to the selection of options for the outline of a network polygon in a poorly developed area. When developing deposits of natural resources, it is necessary to qualitatively carry out a comprehensive assessment of the sustainability of the development of the relevant region and develop strategies for its development. An underdeveloped area can be classified as a problem region, which includes underdeveloped or depressed areas. By underdeveloped areas (regions), the authors understand the territories of a large area inhabited by a small population, poorly developed or completely absent railway network of communication routes on the one hand, and on the other, there are rich reserves of deposits of natural resources that cannot be fully exploited. To assess the prospective development of the railway network in such areas, taking into account its socio-economic development, it is proposed to use a multi-criteria approach. The main provisions of the methodology for the formation of options for creating a railway network using graph theory and their consistent multi-criteria evaluation are presented. A specific calculation example is given, showing the efficiency of the proposed methodology.
Keywords: railways, topology of the railway network, communication routes, problem regions, underdeveloped area, underdeveloped area, graph theory, depressed area, multi-criteria task, justification for the creation of a railway network.
References
1. Kibalov E. B. Problema transportnogo osvoeni-ya Sibiri: zheleznodorozhnye proekty XXI veka // Transport Rossijskoj Federacii. 2006. № 4. S. 10-13. (In Russian)
2. Tkachenko V. Ya., Malov V. Yu. Severo-Rossij-skij transportnyj koridor — prioritetnyj ob"ekt raz-vitiya opornoj transportnoj seti strany // Transportnoe stroitel'stvo. 2007. № 4. S. 4-7. (In Russian)
3. Kopylenko V A., Bykov Yu. A., Kruglov V M. i dr. Severnye i vostochnye rajony Rossii — vazhnejshij poli-gon rasshireniya seti zheleznyh dorog strany v XXI veke // Transportnoe stroitel'stvo. 2008. № 4. S. 2-4. (In Russian)
4. Shvarcfel'd V. S., Edigaryan A. R., Baranova V. V. Perspektivy razvitiya zheleznyh dorog Yuzhnoj Yakutii // Proektirovanie razvitiya regional'noj seti zheleznyh dorog. 2019. № 7. S. 6-16. (In Russian)
5. Krivko S. R. Tipy problemnyh regionov RF i predposylki ih sushchestvovaniya // Teoriya i praktika obshchestvennogo razvitiya. 2012. № 11. S. 317-322. (In Russian)
6. Medvedeva N. A., Shvarcfel'd V. S. Formiro-vanie i otbor variantov topologii seti zheleznyh dorog v maloosvoennyh regionah // Izvestiya Transsiba. 2023. № 3 (55). S. 66-73. (In Russian)
7. Medvedeva N. A., Shvarcfel'd V. S. Obosnovanie sozdaniya topologii seti zheleznyh dorog v maloosvoennyh rajonah / Transport: problemy, idei, perspektivy: sbornik trudov LXXXIII Vserossijskoj nauchno-tekh-nicheskoj konferencii studentov, aspirantov i molodyh uchenyh, Sankt-Peterburg, 17-24 aprelya 2023 goda // SPb: Peterburgskij gosudarstvennyj universitet putej soobshcheniya Imperatora Aleksandra I. 2023. T. 1. S. 357-362. EDN PDTKOH. (In Russian)
8. Shvarcfel'd V. S., Medvedeva N. A. Model' razviti-ya seti zheleznyh dorog v maloosvoennyh rajonah / IV Be-tankurovskij mezhdunarodnyj inzhenernyj forum: elek-tronnyj sbornik trudov, Sankt-Peterburg, 30 noyabrya — 2 dekabrya 2022 goda // SPb.: Peterburgskij gosudarst-vennyj universitet putej soobshcheniya Imperatora Alek-sandra I, 2022. S. 402-404. EDN VJXLOT. (In Russian)
9. Podverbnyj V. A., Kazarina V. V. Mnogo-kriterial'nyj vybor napravleniya proektiruemoj zheleznoj dorogi // Transportnoe stroitel'stvo. 2019. № 3. S. 2-5. EDN HCYQSH. (In Russian)
10. Kazarina V. V., Podverbnyj V. A. Prinyatie re-sheniya po vyboru varianta trassy zheleznodorozhnoj linii // Mir transporta. 2019. T. 17, № 3 (82). S. 140151. DOI 10.30932/1992-3252-2019-17-3-140-151. EDN NQLQXP. (In Russian)
11. Perelygina A. A., Podverbnyj V. A. Primer pri-nyatiya resheniya v oblasti proektirovaniya zheleznyh dorog // Transportnaya infrastruktura Sibirskogo regi-ona. 2018. T. 1. S. 606-611. EDN XSHYZF. (In Russian)
12. Bykov Yu. A., Fadeeva V. A., Kozhevnikov V. V. Mnogofaktornyj analiz konkurentosposobnosti variantov
napravleniya proektiruemyh zheleznyh dorog // Proekti-rovanie razvitiya regional'noj seti zheleznyh dorog. 2019. № 7. S. 154-161. EDN ZUCPBA. (In Russian)
13. Bykov Yu. A., Sidrakov A. A., Fadeeva V. A. Formirovanie mnozhestva variantov napravleniya proektiruemyh zheleznyh dorog i ocenka ih konkurento-sposobnosti // Kachestvo. Innovacii. Obrazovanie. 2020. № 1 (165). S. 44-49. DOI 10.31145/1999-513x-2020-1-44-49. EDN YSCVTY. (In Russian)
Received: 05.05.2024 Accepted: 28.05.2024
Author's information:
Natalia A. MEDVEDEVA — postgraduate student of
the Department of Research and Design of Railways,
+7 (931) 970-89-04;
Vyacheslav S. SCHWARZFELD — PhD in
Engineering, Professor of the Department of Research
and Design of Railway, +7 (914) 541-53-20;
