WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Числов Олег Николаевич

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

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)

Защита состоится «___» _______ 2009 г. в ___ час ___ мин на заседании диссертационного совета Д 218.005.09 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по ад­ресу 127994, г. Москва, ул. Образцова, 9, стр. 9, ауд. 1235.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «___» _________ 2009 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направ­лять по адресу университета.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор         В.А. Козырев

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 (Ti) в узле могут быть совмещены с соот­ветствующим уровнем технического оснащения станционных структур (Pj) и пространственным расположением (Sk). 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 , , , – 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 Ai – состояние системы; P(Ai) – 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, …, рn 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) (tвх): заводские сортировочные, сырьевые станции; точек выхода (tвых): 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);

Ciжд , Ciавт,  Ciзт – стоимость перевозок 1 т  i-го рода груза железнодорожным, автомобильным и промышленным (заводским) транспортом, руб./ткм;

Ен – коэффициент приведения капитальных вложений к текущим затратам;

Кiжд , Кiавт, Кiзт – одноэтапные капитальные вложения в подвижной состав и инфраструктуру железнодорожного, автомобильного, промышленного (заводского) транспорта, тыс руб.;

Lijkжд, Lijkзт – 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;

Lijugmавт, Lijugmзт – 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;

Qi пр(отпр)жд, Qi пр(отпр)зт, Qi 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

Qiжд,зт,авт > 0,  Lijkжд > 0, Lijkзт > 0,  Lijugmавт > 0, Lijugmзт > 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

Сiжд > 0, Сiзт > 0, Сiавт > 0, Кiжд > 0, Кiавт > 0, Кiзт > 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 Вn+1 или фиктивного поставщикa Аm+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 Qсутi, а с наибольшими удельными расходами Рimax («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:

Рimax = (Сiавт + Сiжд) qi 1 км ∈ Limin = (Lijkжд + Liзт + Lijugmавт),

где Liзт – 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 Ri 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: Пij1 < Пij2 <...< Пijk <...< Пij(k-1) < Пijz , k = 1, ... , z;

– размещенному объекту с наибольшими расходами на перевозку грузов железнодорожным (автомобильным) транспортом должно соответствовать наименьшее расстояние: Пжд (авт) ijk ∈  min Lijkжд (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: сij > 0.

Ограничения: Qmin  Q Qmax;

где qi – 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;

сij – 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.;

Ен – коэффициент приведения капитальных вложений к текущим затратам;

Qmin – минимальный объем сортировочной работы, при котором целесообразно строительство самостоятельной сортировочной станции;

Qmax – 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

Lij

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 хij равно mn, 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.

Апробация разработанной модели произведена на примере автоматизированного расчета рационального размещения распределительного ТСК в промышленном узле при улучшении плана перевозок за четыре итерации. Решение задачи рационального размещения выгрузочных комплексов строительной индустрии в промышленных узлах сводится к комбинаторным методам при переборе вариантов местоположения баз.

Для решения задачи рационального размещения объектов при проектировании генеральных планов ТСК (терминалов, баз) применяется созданная модификация критерия размещения в методе двойного предпочтения. При этом схема грузового комплекса изображается по разработанной методике в системно-матричной форме.

Таблица 3 – Экономико-математические зависимости рационального размещения транспортно-складских систем в промышленных узлах

Наименование задачи

Экономико-математические модели

Параметры и ограничения

1

2

3

Размещение распределительных центров 

где Аr – приведенные расходы на перевозку, тыс. руб.,

Бr – приведенные затраты по переработке груза, тыс. руб.

В – приведенные общеобъектные затраты, тыс. руб.;

– удельные приведенные расходы по переработке груза на складах предприятий;

n – места размещения складских систем;

j – потребители;

jr – потребность в r-м материале;

xijr– объем перевозок r-го груза;

сijr– расходы по перевозке r-го груза;

xijr – годовой объем r-го груза на ТСК и базах;

ijr – удельные приведенные затраты от «омертвления» оборотных средств в запасах на базах

i=1,..,n;

j=1, …,m;

r = 1, …,s;

потребность r-го потребителя

распределение объема r-груза

xijr 0

Размещение обогатительных фабрик (ОФ) в узлах угледобывающей промышленности

где i – места добычи сырья (шахты);

qi – годовой объем перевозок ОФ;

j – места расположения ОФ, 

К – станции примыкания п/путей ОФ к транспорту общего пользования,

сij – расходы на доставку  груза от i-го места добычи до j-й ОФ;

gj – расходы на обогащение груза на j-й ОФ;

cjk – расходы на перевозку обогащенного груза от j-й ОФ до К-й станции в узле;

Qi – мощность j-й ОФ.

i =1,…,n;

j=1,…,m;

К=1,…,r;

Размещение выгрузочных комплексов строительной индустрии

где i – потребители груза;

j – места размещения баз;

qi – потребность i-го получателя в грузе;

хij – величины грузопотоков;

аij – расходы зависящие от объема перевозок;

bj – условно постоянные расходы для j–го места размещения комплекса

i=1,…,n; j=1,…,m;

хij 0;

аij > 0; bj > 0

Продолжение табл. 3

1

2

3

Размещение объектов при проектировании генеральных планов ТСК (терминалов, баз)

где i – количество складов ТСК;

j – количество мест размещения складов;

k – количество уровней складской матрицы;

Ciжд , Ciавт – стоимость перевозок i-го груза ж.-д. и автотранспортом, руб./ткм;

Lijkжд, Lijkавт – расстояния перевозки i-го груза до j-го места размещения склада на k-м уровне ТСК, км;

qi - расчетный объем перевозок i-го груза, т

i=1,…,n;

j = 1,…, m;

k = 1,…, z;

qi > 0;

Lijkжд > 0;

Lijkавт > 0;

Склад с наименьшими размерами принимается за исходный мо­дуль площади ТСК, а остальные рассчитываются по отношению к нему с использованием коэффициента кратности. Каждой строке складской матрицы присваивается порядковый номер уровня, каждому столбцу – порядковый номер модуля. Размеры склада определены исходя из долгосрочного хранения грузов и соответствующих нагрузок на единицу площади. Составлены матричные схемы грузовых комплексов тупикового (рис. 8), комбинированного и сквозного типов. Стоимость перевозок рассчитана по укрупненным показателям с коэффициен­тами инфляции роста цен согласно формуле затрат на перевозку грузов.

Рисунок 8 – Схема грузового комплекса тупикового типа в матричной форме

Применение модификации критерия в методе двойного предпочтения при выборе рациональ­ного размещения складов на транспортно - складских комплексах по сравнению с методом последовательного приближения на порядок сокращает объем вычислений. Оптимум достигается за 4 – 5 итераций при 70 – 80 перестановках в методе последовательного приближения. При значительном количестве объектов задача размещения складов усложняется, что требует применения вычислительной техники, алгоритмов и программ. Пример решения задач такого класса приведен в виде блок-схемы на рис. 9.

Для оценки разработанных вариантов генеральных планов промышленных узлов с использованием универсальных математических методов и ЭВМ необходимо руководствоваться основными типовыми (оценочными) показателями норм проектирования. Для формирования общесистемного критерия оценки в исследованиях выделяются функциональные зависимости количественных , качественных и стоимостных показателей генплана с учетом значимых факторов (социальных, экологических и т.п.):

,

где - соответственно площади складских, производственно-технических сооружений, а также площади отводимые под железнодорожные, автомобильные подъезды, коммуникации и т.п.;

,

где - соответственно коэффициенты застройки, использования территории, отвода земель под транспортные коммуникации и т.п.

,

где – соответственно общие капитальные вложения и эксплуатационные расходы по варианту, капитальные вложения на  1 т грузооборота, себестоимость переработки 1 т груза, приведенные затраты на 1 т грузооборота и т.п.;

,

где – соответственно коэффициенты «нагрузки» грузоперевозок на населенность узла, экологической нагрузки, транспортной доступности, нагрузки на транспортные коммуникации

где – населенность экономического района;

– общие выбросы предприятий и производств узла;

– протяженность пассажирских линий, железнодорожных и автомобильных коммуникаций в узле;

– общий удельный «вес» всех производственно-складских объектов узла, участвующих в компоновке генерального плана.

На основе вышеприведенных зависимостей можно сформировать интегральную функцию эффективности проектного решения по размещению транспортно-технологических устройств в узле относительно установленного в диссертации критерия «вес» объекта

где знак «» в зависимости от категории экономического района (промышленно-транспортный - «» или рекреационный - «»).

Для рационального проектирования топологии промышленной железнодорожной сети (ПЖДС) используется логико-графическое моделирование. Количество вариантов связей структуры путевого развития ДДГ (-ДДГ) определяется по комбинаторному анализу возможных математических разбиений числа n двоичного дерева ПЖДС на сочетание цифр «1» и «2». Электронный планшет интерактивной системы построения путевого развития промышленных районов ПЖДС CAD приведен на рис. 10.

 

Рисунок 10 – Расчет -ДДг и электронный планшет ПЖДС CAD

Научной новизной решаемых задач является их переработка и адаптация к создаваемой комплексной теории рациональной концентрации производственно-транспортно-технологических и складских систем промышленных узлов от макроуровня компоновки генерального плана промышленного узла до локальных уровней размещения общебазовых объектов грузовых терминалов и специализированных комплексов. Она включа­ет разработку новых оценочных критериев компоновочных решений размещения объектов, методов и моделей рационального размещения при проектировании схем узлов, алгоритмов адаптированных к автоматизированному проектированию ТТС, систем информационно-методического обеспечения проектирования.

В четвертой главе «Применение разработанных методов рационального размещения устройств промышленно-транспортных систем» рассматривается новый методологический инструментарий принятия решения по выбору рационального варианта размещения элементов ТТС. Следует отметить, что сформированные в третьей главе математические методы и модели, отражающие реальные структуры ТТС, требуют обработки значительных информа­ционных массивов. Для этого необходимо установление механизмов их использования с созданием прикладных программных комплексов принятия решений:

– рациональное размещение промышленных предприятий в узлах или сокращенное название «узел». В состав методологического инструментария входят методы теории вероятностей и массового обслуживания, имитационного моделирования, теории информации, теории графов в сочетании с модифицированными методами математического программирования;

«станция» – выбор рационального местоположения центров поездных и маневровых нагрузок в ТТС на основе теории графов с разработанной комбинаторной методикой сравнений вариантов перевозок грузов и сведением решения к закрытой транспортной задаче линейного программирования;

«сортировочный комплекс» – определение рациональных параметров  сортировочного устройства на распределительных станциях узла. Методологический инструментарий составляют теория систем, методы многокритериальной оптимизации и статистического анализа;

«размещение» – установление целесообразных мест расположения распределительных транспортно-складских систем в узлах. Алгоритмом решения данной задачи предусматривается формирование матрицы корреспонденций и использование детерминированных методов математического программирования со сведением функции к закрытой модели.

«терминал» – расчет и нахождение рациональных мест расположения транспортно-складских объектов внутри комплекса на основе методов теории графов, имитационного моделирования и линейного программирования. Разработанный инструментарий выбора местоположения объекта по его «весу» с критериями рациональности, позволяет не только отказаться от эмпирического подхода на этапах решения задачи проектирования генерального плана, но и в десятки раз сократить трудоемкость расчетов. 

«ж.-д. путь» – проектирование рациональной путевой топологии железнодорожной ТТС. Методологическую основу составляют методы теории графов, имитационного моделирования, теории информации и экспертных оценок. Разработанный метод формирования вариантов горловин парков на основе математического разбиения числа двоичного графа позволяет значительно сократить продолжительность расчетов и отказаться от принятого количества компоновок. Сформированные рациональные транспортно-технологические схемы основных ж.-д. станций промышленных ТТС в сочетании с методами теории надежности позволяют делать вывод о качестве выбранной путевой топологии.

Для реализации разработанных методов рационального размещения устройств ТТС каждую системологическую парадигму можно представить в виде программного научного комплекса (НК), включающего информационно-технологическое обеспечение; постановку задачи и экономико-математическую модель, метод и алгоритм решения; блок-схему и программное обеспечение; технические средства автоматизации расчета и проектирования: «НК – узел», «НК – станция», «НК – сортировочный комплекс»,  «НК – размещение», «НК – терминал», «НК – ПЖДС». На рис. 11 приведена разработанная автором структурная схема методологического обеспечения и системного представления методов расчета и проектирования ТТС для каждого научного комплекса.

Рисунок 11 – Методологический инструментарий обеспечения рационального размещения элементов ТТС

В результате применения НК получено: сокращение сроков проектирования генеральных планов в 2 – 3 раза с экономией до 2 млн руб. на одном проекте; сокращение итераций поиска рационального размещения транспортных объектов от 70 – 100 при полном переборе до 3 – 5 по разработанной методике; улучшение показателей генпланов: коэффициента застройки с 0,15 – 0,17 до 0,26 – 0,3; коэффициента использования территории с 0,5 – 0,57 до 0,7 – 0,75; высвобождение земель до 20 %.

В пятой главе «Эффективность предлагаемой теории концентрации транспортно-технологических систем в промышленно-транспортных узлах» согласно прогнозируемому увеличению грузо- и пассажиропотоков юга России определены основные направления развития промышленно-транспортных систем. Приведена апробация разработанной теории рациональной концентрации транспортно-технологических систем в промышленных узлах и рассчитан экономический эффект от ее внедре­ния.

Например, при рационализации обходов в Ростовском узле по разработанной методике экономия расходов на пропуску грузовых поездов в год составляет около 12 млн руб. За счет рационального размещения объектов выгрузочных комплексов северо-западной промзоны получено сокращение транспортных расходов на 10,6 млн руб. в год.

При реальном проектировании Северо-Восточного промышленного узла с рациональным размещением в нем предприятий строительной индустрии получено высвобождение 49 га земель и сокращение транспортных расходов на 112,3 млн руб. в год по сравнению с существующим положением.

В результате применения разработанных НК при развитии Крымского узла, как накопительно-распределительной системы портовых станций Азово-Черноморского бассейна, прибыль от перевозочной деятельности на данном направлении при завершении строительства в 2020 г. превысит транспортную составляющую почти в два раза и составит 1640 млн руб. С применением методов рационального проектирования ПЖДС выполнены различные варианты размещения участковой станции Таманская на 9 км Крымского узла по проектным грузопотокам. Эффективность проекта составляет 91,33 млн руб.

Логико-графическая интеграция «НК – размещение», «НК – терминал» и «НК – ПЖДС» представлены в проектировании генерального плана выгрузочного накопительного терминала («сухого порта») на 9 км в Таманском (Крымском) узле для разгрузки складских площадей порта и накопления судовых партий в случае форс-мажорных обстоятельств. В результате использования «НК – терминал» получены рациональные компоновки складских объектов и сформирован масштабный план комплекса. Экономический эффект составил около 60 млн руб. в год. Срок окупаемости капитальных затрат менее нормативного при коэффициенте Ен= 0,125.

От внедрения «НК – сортировочный комплекс» и «НК – ПЖДС» в Лиховском, Батайском и Ростовском узлах при проектировании сортировочных систем получено снижение годовых эксплуатационных расходов каждой на 8–10 % по сравнению с существующем положением.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

  1. Предмет исследования – железнодорожные промышленные ТТС СКЭР как единые сложные производственно-транспортно-складские структуры с общей целью функционирования в условиях современной социально-экономической ситуации.
  2. В работе определены особенности компоновочных решений и технологии работы основных узлов СКЭР: Ростовского, Таганрогского, Шахтинского, Краснодарского, Крымского, Новороссийского, Волгодонского, Махачкалинского, Ставропольского, Невинномысского, Нальчинского, а также важнейших промузлов добывающей и металлургической промышленности, взаимодействующих с транспортной системой СКЭР, и характерных зарубежных промышленно-транспортных узлов. Разработана новая методика системной классификации промышленно-транспортных узлов с учетом современных тенденций развития ТТС и логистических концепций. В исследовании предложено классификацию узлов по виду преобладающей транспортно-технологической составляющей дополнить позициями: транзитные мультимодальные и производственно-терминальные, которые позволят учесть степень вовлечения региональной ТТС в международное транспортное производство.
  3. Установлена зависимость мощности путевого развития 58 исследованных станций основных узлов СКЭР от количества обслуживаемых ими предприятий обрабатывающей и добывающей промышленности. Имеет место значительный разброс значений с наибольшей плотностью путевой топологии от 3-х до 45 путей при количестве предприятий, равном от одного до 28. Графики зависимостей для небольших станций имеют экспоненциальный характер с переходом в линейную зависимость для крупных узловых станций. Определены полиноминальные и степенные функции зависимости количества приемоотправочных путей на промышленных сортировочных (грузовых) станциях от числа принимаемых или отправляемых поездов (подач).
  4. Разработаны 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 процесса обслуживания заявок.
  5. Впервые создана комплексная теория рациональной концентрации производственно-транспортно-технологических и складских систем промышленных узлов от макроуровня компоновки генерального плана промышленного узла до уровней размещения общебазовых объектов грузовых терминалов с применением разработанной модификации критерия рациональности размещения в методе двойного предпочтения.
  6. Введены новые оценочные критерии компоновочных решений генпланов и разработана новая методика системно-матричного представления схем узлов обрабатывающей и добывающей промышленности, транспортно-складских комплексов и выгрузочных баз различных типов. Сформированы экономико-математические модели размещения предприятий. По данной методике производится направленный поиск наилучшего варианта компоновки за минимум итераций.
  7. Установлены показатели надежности, энтропии и уровня организации проектного размещения комплекса транспортно-технологических устройств относительно установленных критериев. Значения надежности составляют от 0,92 до 0,96, энтропия структуры составляет от 0,23 до 0,41, уровень организации промышленно-транспортной системы – от 0,85 – 0,9. На основе интегральной функции эффективности проектного решения генерального плана узла оценивается размещение транспортно - технологических устройств относительно установленных критериев.
  8. Определены основные системологические парадигмы рационального проектирования и установлены механизмы их использования. Введен новый понятийный инструментарий, терминология рационального проектирования и сформированы новые методологические комплексы постановок задач и технологии принятия решений: «узел», «станция», «сортировочный комплекс»,  «размещение», «терминал», «ж.-д. путь».
  9. Определена экономическая эффективность от внедре­ния разработанной теории концентрации транспортно-технологических систем в промышленных узлах юга России. Результаты исследований внедрены при развитии Крымского промышленно-транспортного узла. Прибыль от перевозочной деятельности на данном направлении при завершении строительства в 2020 г. составит 1,64 млрд руб. С применение методов рационального проектирования выполнена компоновка масштабной схемы участковой станции Таманская на 9 км Крымского узла.

Логико-графическая интеграция «НК – размещение», «НК – терминал» и «НК – ПЖДС» апробирована при автоматизации разработки генерального плана выгрузочного накопительного терминала на новой участковой станции 9 км. В результате расчетов на основе «НК – терминал» получены рациональные компоновки складских объектов и сформирован масштабный план комплекса, а также это позволило улучшить в 1,2–1,5 раза показатели генеральных планов транспортно-складских комплексов станций Ростов – Товарный, Донская – Промышленная, Чертково, Минеральные Воды.

В результате применения созданной методики получено сокращение сроков проектирования в 2–3 раза, уменьшение итераций поиска рационального размещения транспортных объектов в десятки раз, улучшение показателей генпланов в 1,5–2 раза.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

  1. Н.В. Правдин, О.Н. Числов. О рациональном размещении промышленных предприятий и транспортно-складских систем в узлах / Вестник РГУПС. Науч.-техн. журнал, № 1 (33). – 2009. – С. 91–101.
  2. О.Н. Числов. Программно-научные комплексы рационального размещения и проектирования транспортно-технологических систем в железнодорожных узлах / Вестник РГУПС. Науч.-техн. журнал, № 1 (33). – 2009. – С. 101–106.
  3. О.Н. Числов. Комплексные методы рационального размещения элементов транспортно-технологических систем в железнодорожных узлах: монография / Рост. гос. ун-т путей сообщения. Ростов н/Д, 2009. – 294 с.
  4. О.Н. Числов. Об особенностях эмпирического подхода в решении задач размещения транспортных систем в промышленных узлах / Тр. РГУПС: Науч.-техн. журнал, № 3 (7), 2008. – Стр. 135–140.
  5. Н.В. Правдин, О.Н. Числов. Моделирование генерального плана агрегированного комплекса промышленного узла с оптимальным размещением производственно-транспортно-технологических систем / Транспорт: наука, техника, управление // ВИНИТИ. – Москва. – 2008. – № 11. – С. 2– 8.
  6. О.Н. Числов, В.Л. Люц. Методы согласования транспортных потоков в логистических накопительных терминалах технологических систем / Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта: Сб. науч. тр. молодых ученых, аспирантов и докторантов. – Ростов н/Д, РГУПС. 2008. – Стр. 72–76.
  7. О.Н. Числов, Н.Н. Числов, В.Л. Люц. Проблемы развития станций, морских портов и подходов к ним в Азово-Черноморском бассейне / Вестник РГУПС. Науч.-техн. журнал, № 1 (29). – 2008. – С. 101–108.
  8. О.Н. Числов. Комплексная оптимизация размещения элементов транспортных систем в промышленных узлах / Транспорт: наука, техника, управление // ВИНИТИ. – Москва. – 2007. – № 9. – С. 45–49.
  9. О.Н. Числов, В.Л. Люц, И.А. Белгородцева. Оптимизационные методы размещения логистического терминально-складского комплекса в Ростовском железнодорожном узле / Актуальные проблемы управления перевозочным процессом: сб. науч. тр. – Санкт-Петербург, ПГУПС, 2007. – Стр. 91–100.
  10. О.Н. Числов, Е.Н. Легкова. Актуальные вопросы совершенствования путевого развития и сортировочных устройств станции Лихая / Актуальные проблемы управления перевозочным процессом: сб. науч. тр. – Санкт-Петербург, ПГУПС, 2007. – Стр. 85–90.
  11. О.Н. Числов. Перспективы развития транспортно-технологических систем Азово-Черноморского бассейна России / Труды LXVI Междунар. науч.-практич. конф. «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта»: Тез. докл., Транспортная академия Украины. – Днепропетровск, ДИИТ, 2006. – Стр. 185–186.
  12. Н.Н. Числов, В.Н. Чернов, О.Н. Числов. Автоматизированный учебно-методический комплекс расчета высот горок и проектирования продольных профилей сортировочных путей / Труды РГУПС. Науч.-техн. журнал, № 2 (3), 2006. – С. 139–149.
  13. В.А. Жуков, Н.Н. Числов, А.Д. Петрушин, О.Н. Числов. Снижение эксплуатационных расходов при расформировании вагонов на совмещенных сортировочных горках / Желез­нодорожный транспорт. – 2006. – № 9. – С. 32–35.
  14. О.Н. Числов. Автоматизация проектирования и размещения терминально-складских комплексов / Транспорт: наука, техника, управление // ВИНИТИ. – Москва. – 2006. – № 10. – С. 22 – 27.
  15. О.Н. Числов. Оптимизация размещения и проектирования транспортно-технологических систем железных дорог: монография / Рост. гос. ун-т путей сообщения. Ростов н/Д, 2006. – 323 с.
  16. О.Н. Числов. Совершенствование взаимодействия работы накопительных терминалов и морских портов Азово-Черноморского бассейна на основе информационных  технологий  /  Телекоммуникационные и информационные технологии на транспорте России: Сб. докладов Четвертой Междунар. науч.-практич. конф. «ТелеКомТранс-2006». – Ростов н/Д, РГУПС, 2006. – С. 330–334.
  17. О.Н. Числов, В.Л. Люц. Анализ современного продвижения южнопортового интермодального товаропотока / Совер­шенствование технологии железнодорожных перевозок: Межвуз. сб. научн. тр. – Ростов н/Д, РГУПС, 2006. – С. 114–116.
  18. О.Н. Числов. Прикладные методы оптимизации автоматизирован­ного проектирования выгрузочных накопительных терминалов транспортно-технологических систем / Совершен­ствова­ние технологии железнодорожных перевозок: Межвуз. сб. научн. тр. – Ростов н/Д: РГУПС,  2006. – С. 106–113.
  19. О.Н. Числов. Математические методы при размещении и проектировании транспортно-технологических систем железных дорог / Тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт – 2006», в 3-х частях. Ч. 2. // Тез. докл., Ростов н/Д, РГУПС, 2006. – С. 198–200.
  20. О.Н. Числов, Н.Н. Числов. Выбор оптимального варианта размещения транспортно-технологической системы в железнодорожном узле / Вестник РГУПС. Науч.-техн. журнал. – 2005. – № 2. – С. 84–88.
  21. О.Н. Числов. Станция как транспортно-технологическая система / Вестник РГУПС. Науч.-техн. журнал. – 2005. – № 3. – С. 94 – 101.
  22. О.Н. Числов. Основные принципы размещения транспортно-технологических и складских систем в промышленных узлах /  Тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт – 2005», в  2-х частях. Ч. 2. // Тез. докл., Ростов н/Д, РГУПС, 2005. – С. 155–157.
  23. О.Н. Числов. Перспективы развития транспортных систем юга России / Тр. Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт – 2004», в 3-х частях. Ч. 3. // Тез. докл., Ростов-на-Дону, РГУПС, 2004. – С. 21–22.
  24. О.Н. Числов, А.А.Зубов. Организация работы Череповецкого железнодорожного узла в современных условиях / Совершенствование технологии железнодорожных перевозок: Междунар.  межвуз. сб. науч. тр. Ростов н/Д, РГУПС, 2004. – С. 164–167.
  25. Н.Н. Числов, В.Н. Дегтяренко, Е.Г. Лазарев, В.М. Астафьев, О.Н. Числов. Железнодорожные станции и узлы промышленных районов: учебник для вузов ж.-д. тр-та: под ред. Н.Н. Числова. – Ростов н/Д: СКНЦ ВШ, 2004. – 568 с.
  26. Н.Н. Числов, О.Н. Числов. Закономерности и факторы комплексного развития опорных станций в период реформирования отрасли / Совершенствование технологии железнодорожных перевозок: Междунар. межвуз. сб. науч. тр. – Ростов н/Д: РГУПС,  2004. – С. 167–175.
  27. О.Н. Числов. Перспективы развития транспортных систем юга России / Материалы Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт – 2004», в 3-х частях. Ч.3. // Тез. докл., Ростов н/Д: РГУПС, 2004. – С. 21–22.
  28. О.Н. Числов, Н.Н. Числов. Теоретические основы проектирования железнодорожных станций с применением ЭВМ: статья / Вестник РГУПС. Науч.-техн. журнал.– 2002. – № 2. – С. 69–78.
  29. О.Н. Числов. Особенности применения типовых алгоритмов в решении задач автоматизированного проектирования путевого развития грузовых станций и складских комплексов / Тр. научно-теоретической конференции «Транспорт-2001», В 2-х частях. Ч.2. // Тез. докл., Ростов н/Д, РГУПС, 2001. – С. 39–40.
  30. О.Н. Числов. Методика автоматизированного проектирования путевого развития грузовых станций промышленных районов  /  Совершенствование организации и управления перевозочным процессом в условиях снижения объема перевозок: Юбил. межвуз. сб. научн. тр. – Ростов н/Д, РГУПС, 1999. – С. 62.
  31. О.Н. Числов. Применение автоматизированных программных пакетов для формирования схем грузовых станций / Материалы 57-й науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и подготовки специалистов» // Тез. докл., Ростов н/Д, РГУПС,1998. – С. 126.
  32. О.Н. Числов Проектирование и размещение объектов транспортно-складских комплексов с применением ЭВМ / Материалы междунар. науч.-практ. конф. // Тез. докл., Ростов н/Д, РГСУ, 1997. – С. 52–53.
  33. О.Н. Числов Логико-математическое описание горловин транспортно-складских комплексов / Материалы междунар. науч.-практ. конф. // Тез. докл., Ростов н/Д, РГСУ, 1997. – С. 51–52.
  34. О.Н. Числов. Влияние себестоимости перевозок на размещение объектов транспортно-складских комплексов / Материалы Юбилейной научно-технической конференции, посвященной 50-летию Победы, 130-летию МПС и 65-летию РГУПС // Тез. докл. – Ростов н/Д, РГУПС, 1996. – Стр. 13.
  35. В.Н. Чернов, О.Н. Числов. Формализация задачи проектирования путевого развития горловин транспортно-складских комплексов / Проблемы повышения конкурентоспособности железнодорожных перевозок, развития станций и транспортно-складских комплексов: Сб. научн. тр. Ч.1. – Ростов н/Д, РГУПС, 1996. – С. 100–102.
  36. Н.Н. Числов, Л.И. Леонтьева, О.Н. Числов. Метод проектирования транспортно-складских комплексов / Железнодорожный транспорт. – 1995. – № 8. – Стр. 14–17.
  37. О.Н. Числов. Моделирование путевого развития горловин транспортно-складских комплексов / Грузовая и коммерческая работа в условиях рыночной экономики: Межвуз. сб. научн. тр. – Ростов н/Д, РГУПС, 1995. – С. 128–134.
  38. О.Н. Числов. Размещение объектов на заданной территории с применением экономико-математических методов / Совершенствование эксплуатационной работы железных дорог в условиях рынка: Межвуз. сб. науч.тр. – Ростов н/Д, РГУПС, 1994. – С. 80–88.

Числов Олег Николаевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО РАЗМЕЩЕНИЯ

ЭЛЕМЕНТОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ

ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Специальность 05.22.01– Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов, организация производства на транспорте (технические науки)


Подписано в печать . Объем 3,0 п.л.

Печать офсетная. Бумага для множит. апп.  Формат 60х84/16.

Тираж 100.  Заказ № .

Типография МИИТ, 127994, г. Москва, ул. Образцова, 9, стр. 9







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.