Разработка методов оценки и повышения устойчивости функционирования технологической линии местного вагонопотока на грузовой станции
На правах рукописи
Подорожкина Алла Валентиновна
Разработка методов оценки И ПОВЫШЕНИЯ устойчивости
функционирования технологической линии
местного вагонопотока на грузовой станции
Специальность: 05.22.08 – Управление процессами перевозок
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Эксплуатация железных дорог».
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор –
Апатцев Владимир Иванович.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор –
Резер Семен Моисеевич,
ВИНИТИ РАН,
заведующий отделом транспорта,
кандидат технических наук, профессор –
Вакуленко Сергей Петрович, «Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)», директор Института управления и информационных технологий.
Ведущая организация – Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения».
Защита состоится «_16_»_____мая______2012 года в __13 час. __30_мин. на заседании диссертационного совета Д 218.005.07 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу:
127994, г. Москва, ул. Образцова, д.9 строение 9, ауд. 1112.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан «_16__»__апреля___2012 года.
Ученый секретарь диссертационного
совета Д 218.005.07, д.т.н., профессор А.В. Горелик
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Важнейшим элементом в технологической цепочке грузовых перевозок являются станции производства начально-конечных операций (как правило, грузовые станции). От их эффективной работы в большой степени зависит надежность доставки грузов в логистической транспортной системе с участием железных дорог, а наличие отказов в их подсистемах, приводящих к сверхнормативным задержкам транспортного потока, расценивается как неспособность обеспечить требуемый уровень обслуживания. Анализ показывает, что из более, чем 12% отправок, доставленных с истекшим сроком, около 4% просрочек ложится на грузовые станции. По этой причине ОАО «РЖД» ежегодно выплачивает грузовладельцам миллионы рублей в виде штрафных санкций.
Вышесказанное предопределяет актуальность исследований в части оценки технологической устойчивости грузовых станций и их подсистем на этапе проектирования, реконструкции и разработки мероприятий по повышению эффективности их производственной деятельности. Детальный анализ их функционирования позволит:
- выявить наиболее весомые факторы, создающие помехи при исполнении регламентов производственного процесса;
- выявить наиболее проблемные элементы станционных подсистем с точки зрения их влияния на выполнение регламентов производственного процесса;
- разработать методику, позволяющую дать оценку устойчивости функционирования технологических подсистем грузовой станции при переработке местного вагонопотока;
- оценить возможные убытки и эффекты, связанные с обеспечением приемлемого уровня устойчивости при разработке и внедрению мер по недопущению нарушений в технологической цепочке обработки местного вагонопотока на грузовой станции.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов оценки устойчивости функционирования грузовых станций, позволяющих прогнозировать появление возможных затруднений в переработке местных вагонопотоков.
Для реализации поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
- анализ теории и практики функционирования грузовых станций;
- выявление факторов, создающих помехи при исполнении регламентов производственного процесса, а также наиболее проблемных модулей технологической линии (ТЛ) местного вагонопотока на грузовой станции;
- определение характеристик надежности модулей ТЛ;
- создание математической модели и методики оценки технологической устойчивости модулей ТЛ;
- оценка эффективности мероприятий, связанных с повышением уровня устойчивости модулей ТЛ.
Объектом исследования выступают грузовые станции сети железных дорог общего пользования.
Предметом исследования является технологический процесс грузовой станции в части внутристанционного перемещения порожних и груженых вагонов.
Теоретической основой исследований явилось использование методов системного анализа, имитационного и аналитического моделирования, статистических методов и методов технико-экономической оценки принимаемых решений.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней предложена методика комплексной оценки технологической устойчивости грузовой станции, позволяющая:
- найти рациональные режимы функционирования модулей ТЛ с точки зрения их устойчивости;
- оценить мероприятия направленные на повышение устойчивости функционирования ТЛ местного вагонопотока на грузовой станции;
- найти оптимальный баланс между убытками, наносимыми техническими и технологическими отказами и затратами на обеспечение дополнительных резервов технического оснащения, учитывая при этом характеристики надежности модулей ТЛ.
Практическая значимость. Разработанная в диссертации методика содержит важные рекомендации для получения характеристик надежности модулей ТЛ, оценки ее технологической устойчивости и определения оптимальных режимов функционирования.
Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке Автоматизированной системы оперативного контроля технологической дисциплины (АС ОКТД) и Технологических процессов работы грузовых станций Московской и Октябрьской железных дорог - филиалов ОАО «Российские железные дороги».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались, обсуждались и получили одобрение на: Четвертой межвузовской научно-методической конференции «Актуальные проблемы железнодорожного транспорта» (Москва, 1999 год); Первой международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 1999 г.); 62 межвузовской научно-технической конференции творческой молодежи «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (Хабаровск, 2004 г.); Межвузовской научно-технической конференции «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта» (Москва, 2010); на заседаниях кафедры «Эксплуатация железных дорог» Московского государственного университета путей сообщения в 2006-2011 г.г..
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК России - 3 работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и шести приложений. Общий объем работы 162 страницы основного текста, в том числе 21 рисунок и 13 таблиц, а также текста приложений на 127 страницах. Список использованной литературы содержит 96 источников.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации и определены основные задачи исследования.
В главе 1 показана роль грузовых станций в транспортно-логистической цепи доставки грузов; приведена характеристика исполнения регламентов технологического процесса на грузовых станциях; выполнен анализ развития теории расчета устойчивости транспортных систем.
Концепция современной логистики реализуется на основе системного подхода. В исследованиях станционных комплексов и транспортных процессов на железных дорогах он получил распространение еще в 70-80-е годы прошлого столетия. В этой области наиболее известны работы: В.М. Акулиничева, В.И.Арсенова, В.А. Буянова, П.С. Грунтова, Ю.В. Дьякова, В.В.Звонкова, П.А. Козлова, И.Т. Козлова, Л.С. Крохина, В.А. Кудрявцева, А.М. Макарочкина, О.Б. Маликова, Г. Поттгоффа, К.Ю. Скалова, А.А. Смехова, Н.К. Сологуба, Е.А. Сотникова, И.Б. Сотникова, А.К. Угрюмова, И.Г. Тихомирова и др., в которых с позиций системного подхода исследованы вопросы: моделирования транспортных систем и транспортных потоков; пропускной способности станций и параметризации грузовых фронтов; взаимодействия станционных комплексов со смежными подсистемами; оптимизации технического оснащения и путевого развития грузовых станций; эксплуатационной надежности станций.
В последнее время проблемам теоретического обоснования путей формирования и развития транспортных систем в рыночных условиях посвящен ряд работ, например, В.И.Апатцева, П.В.Куренкова, О.Б.Маликова, Л.Б.Миротина, В.М.Николашина, А.Т.Осьминина, С.М.Резера, В.И.Сергеева, К.В.Холопова, В.А.Шарова и др., анализ которых подтвердил актуальность поставленных в диссертации задач.
Ранее, в исследованиях станций и узлов транспортные потоки обычно рассматривались только с количественной стороны. Между тем реальный поток характеризуется не только величиной, но и структурой, а также формами его организации, оказывающими влияние на расчет и специализацию станционных устройств. В связи с этим, анализ технологической устойчивости функционирования грузовой станции в структуре логистической транспортной цепи (ЛТЦ), предполагает интегрированное рассмотрение внутрипроизводственной, внутриотраслевой и внешней среды станции при обеспечении процесса переработки местного вагонопотока.
На внутристанционном уровне производственный процесс обработки вагонопотока в ЛТЦ структурно может быть представлен в виде технологической линии. Технологическая линия - это совокупность транспортного потока, технических средств для его обработки, информационного обеспечения, а также система управления. Технологическую линию обработки местного вагонопотока (далее ТЛ) предложено представлять в виде взаимодействующих производственных модулей (далее модулей), каждый из которых выполняет определенные функции по обслуживанию транспортного потока и характеризуется некоторым набором параметров:
, (1)
где 
– производственные модули;
– число модулей в составе ТЛ.
В ходе исследования установлено, что в большинстве случаев на грузовых станциях (ГС) имеет место невыполнение плановых норм и значительные колебания простоя местного вагона – основного показателя работы грузовых станций, характеризующего качество их работы. В логистике обобщающим критерием надежности является доставка груза в точно заданный срок. Результатами же отклонения от запланированной технологии обработки вагонов в отдельных модулях и ТЛ в целом, могут стать и просрочка в доставке грузов и невыполнение заданного графика движения. В условиях применения «жестких» ниток графика движения поездов, неблагоприятное воздействие отказов на грузовой станции выражается в неспособности ТЛ вывести обслуживаемый вагон (или группу вагонов) на запланированную нитку графика (или неспособности ТЛ обслужить вагон к назначенному времени).
В связи с этим были изучены основные причины нарушения норм времени нахождения местного вагона в модулях ТЛ. Данные о распределении отказов в работе грузовых станций показывают, что наибольшее их число вызвано старением и недостаточным обновлением локомотивного, вагонного парков, погрузочно-разгрузочных машин и механизмов (ПРМ), низким уровнем технологической дисциплины. В производственных модулях ТЛ можно выделить две группы отказов – технические (устройств пути, связи и т.п.) и технологические (нарушения технологической дисциплины, установленных регламентов, «человеческий фактор» и т.п.).
В связи с вышеизложенным необходимо при разработке технологических процессов грузовых станций в части определении нормативного времени выполнения производственных операций обработки вагонов, учитывать характеристики надежности технических средств, а также устойчивость работы ТЛ.
В главе 2 выполнен структурный анализ технологической линии местного вагонопотока на грузовой станции.
Предложено выделять 11 укрупненных элементов технологического процесса обработки местного вагона на ГС, названных производственными операциями. Каждая такая операция с вагоном выполняется соответствующим модулем ТЛ (табл. 1). Вагон считается обслуженным на ГС после прохождения всех производственных операций в модулях ТЛ.
В рассматриваемой модели ТЛ выделены две группы производственных операций, выполняемых с единицей транспортного потока в модуле: операции обработки и операции управления.
Технологические особенности схем прохождения местного вагонопотока на грузовой станции реализуются конечным множеством вариантов ТЛ. Эти варианты отображают возможные «перемещения» вагона между модулями. Они отличаются друг от друга в зависимости: от места выполнения операций по прибытию и отправлению; от количества грузовых операций с вагонами; от места выполнения грузовых операций на станции и других особенностей технологического процесса обслуживания вагонов, характерных для ГС.
Таблица 1
Модули и производственные операции
| Наименование производственной операции | Модуль |
| 0 – {прием местного поезда на станцию} |  (модуль 1) – входная горловина станции и прилегающий участок (ВхУ) |
| 1 – {операции по прибытию} |  (модуль 2) – приемоотправочный парк или парк приема (ПОП) |
| 2 – {расформирование} |  (модуль 3) – сортировочные устройства (СУ) |
| 3 – {накопление вагонов на подачу к ГФ} |  (модуль 4) – сортировочный парк (СП) |
| 4 – {подача вагонов к ГФ и их расстановка по ГФ} |  (модуль 5) – место выполнения первой грузовой операции – грузовой фронт общего или необщего пользования станции (ГФ) |
| 5 – {погрузка, выгрузка или сдвоенные грузовые операции с вагоном} |  (модуль 5) и (или)  (модуль 6) |
| 6 – {перестановка вагонов на ГФ при сдвоенных операциях, сборка вагонов с ГФ и уборка их на станцию} |  (модуль 6) – место выполнения второй грузовой операции (при ее наличии) (ГФ) |
| 7 – {накопление вагонов на состав поезда} |  (модуль 7) – сортировочный парк (СП) |
| 8 – {формирование составов} |  (модуль 8) – сортировочные устройства (СУ) |
| 9 – {операции по отправлению} |  (модуль 9) – парк отправления, приемо-отправочный или сортировочно-отправочный парк (ПОП) |
| 10 – {отправление поезда со станции} |  (модуль 10) – выходная горловина станции и прилегающий участок (ВыхУ) |
Совокупность вариантов схем ТЛ можно представить обобщенной моделью:
, (2)
где 
– модуль; 
– номер модуля;
– число модулей типа 
в структуре ТЛ;
– номер единицы транспортного потока в модуле;
- число схем вариантов ТЛ;
– множество текущих значений времени технологического процесса;
– совокупность производственных задач, выполняемых 
-м модулем и их технологические особенности;
- номер технологической схемы;
– характеристики входящего потока и его трансформации в модуле;
– характеристики исходящего потока;
– технико-технологическиие параметры, характеризующие возможности модуля по обработке заявок;
– параметр, определяющий состояния модуля в текущие моменты времени производственного процесса и задающий условия переходов из одного состояние в другое;
– характеристики надежности модуля.
В процессе изучения и анализа характеристик надежности производственных модулей ТЛ, было выделено несколько укрупненных помехообразующих факторов, вызывающих задержки. Исследован характер и законы распределения отказов при обслуживании вагонов в модулях технологической линии. Несмотря на общность в законах распределения отказов, по отдельным модулям ТЛ имеют место отличия в ряде числовых характеристик (математическом ожидании, дисперсии и среднем квадратическом отклонении). Это свидетельствует о необходимости статистического обследования каждой грузовой станции при оценке устойчивости ее функционирования.
Выше отмечалось, что обобщающим показателем устойчивости работы ГС, является соблюдение технологических норм времени на выполнение операций с вагонами, как в отдельных модулях, так и в целом по станции. Однако это не означает, что устойчивая работа грузовой станции характеризуется отсутствием межоперационных простоев вагонов в ожидании обслуживания в очередном модуле. Такие простои существуют и в большей степени обусловлены неравномерностью прохождения вагонопотока по ТЛ и уровнем загрузки обслуживающих ресурсов в ее модулях.
Для моделирования производственного процесса обслуживания местного вагонопотока на ГС в диссертационной работе применялась Автоматизированная система расчета параметров железнодорожных станций и узлов PlanGraf 2007. Она позволяет создавать модели конкретных грузовых станции, а после завершения серии экспериментов помодульно и в целом по ТЛ анализировать временные характеристики производственного процесса обслуживания вагонопотока, как с учетом характеристик надежности модулей, так и без них.
Протокол выполнения эксперимента отражает: варианты схем технологической линии; моменты времени начала и завершения производственных операций; задержки в выполнении операций.
В третьей главе разработана математическая модель оценки технологической устойчивости грузовой станции и выполнена ее реализация для грузовых станций.
Одним из аспектов изучения является проблема расчета времени ожидания вагонами начала обслуживания в очередном модуле ТЛ, поскольку, оно непосредственно влияет на величину интегрального коэффициента устойчивости.
В научных публикациях продолжительность ожидания вагонами обслуживания рекомендуется определять по известным формулам: при произвольном распределении времени обслуживания для расчета среднего времени ожидания начала обслуживания применяется формула Полячека-Хинчина (3), при показательном распределении времени обслуживания используется формула (4), при постоянной продолжительности обслуживания требований используется формула (5):
(3);
(4);
(5)
где 
– средняя продолжительность обслуживания одного требования (группы вагонов), ч;
– загрузка обслуживающего устройства в модуле;
– коэффициент вариации времени обслуживания.
Несмотря на различие в написании приведенных формул и расхождения в результатах расчетов при одинаковых исходных значениях параметров, они дают идентичный характер зависимости изменения среднего времени ожидания вагонами начала обслуживания от изменения уровня загрузки обслуживающих устройств: 
(рис.1).
Рис.1 График изменения среднего времени ожидания обслуживания требований, рассчитанного по формулам (3)-(5) и разработанной формуле (6), в зависимости от загрузки обслуживающего аппарата при tоб=1,0 ч и об =0,5
В тоже время анализ процессов обработки вагонов на ряде грузовых станций показал, что маневровые локомотивы, погрузочно-разгрузочные машины и механизмы и т.д. в большинстве случаев работают с загрузкой, близкой к 1. Однако при таком уровне загрузки не наблюдаются значительные простои вагонов в ожидании обслуживания. Особенно большие различия между фактическим временем ожидания обслуживания и рассчитанным по формулам (3-5) имеют место при 
. Такие расхождения между теоретической оценкой продолжительности ожидания вагонами начала обслуживания в модулях ТЛ и фактическими данными позволяют говорить о нецелесообразности применения этих формул для расчета времени ожидания.
Одним из эффективных способов, позволяющим оценить продолжительность ожидания вагонами начала обслуживания, является имитационное моделирование. Однако процесс моделирования довольно трудоемкий и требует большого числа исходных данных. Кроме того, желательно иметь аналитическое выражение времени ожидания начала обслуживания с целью включения его составной частью в соответствующие модели.
В диссертации выполнена оценка времени ожидания вагонами обработки на примере их маневрового обслуживания. В табл.2 приведены сравнительные значения коэффициента 
, рассчитанные для 
и 
при разном уровне загрузки обслуживающего ресурса в модуле ТЛ.
Таблица 2
Сравнительные значения коэффициента 
, входящего в формулу расчета среднего времени ожидания вагонами начала обслуживания при различном числе обслуживаемых требований
| Максимальное число требований, которое может поступить на | Загрузка обслуживающего ресурса модуля,  | |||||||||
обслуживание,  | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 |
| 10 | 0,09 | 0,18 | 0,27 | 0,36 | 0,45 | 0,54 | 0,62 | 0,71 | 0,80 | 0,88 |
| 20 | 0,10 | 0,19 | 0,28 | 0,37 | 0,47 | 0,56 | 0,64 | 0,73 | 0,82 | 0,90 |
Их сравнительный анализ показывает, что величина 
практически не влияет на значение коэффициента 
. Аналогичные массовые расчеты были проведены для других значений 
и подтвердили справедливость данного утверждения. В свою очередь, отсутствие зависимости 
от 
позволило установить корреляционную связь между средним временем ожидания вагонами начала маневрового обслуживания и уровнем загрузки обслуживающего аппарата:
, т.е. 
. (6)
Значение коэффициента 
получено путем обработки результирующих данных с использованием метода наименьших квадратов. При этом коэффициент корреляции составил 0,993.
Из формулы (6) видно, что простой вагонов в ожидании обслуживания имеет линейную зависимость от уровня загрузки обслуживающего аппарата, что отображено на рис.1. Одновременно, рассчитанные значения 
, особенно при больших уровнях загрузки обслуживающего аппарата (
), значительно меньше, полученных по формулам теории массового обслуживания и дают достаточно достоверные (в сравнении с фактическими) результаты. Это наглядно видно из сравнительной табл.3, где приведены фактические и расчетные значения величины 
по пяти грузовым станциям сети железных дорог ОАО «РЖД».
Таблица 3
Сравнительная оценка средней продолжительности ожидания вагонами начала маневрового обслуживания на ряде грузовых станций сети железных дорог ОАО «РЖД»
| Станция | Среднее время обслуживания одного требования, ч | Коэффициент вариации времени обслуживания | Загрузка маневрового локомотива | Среднее фактическое время ожидания начала маневрового обслуживания, ч | Среднее время ожидания начала маневрового обслуживания (ч), рассчитанное по формулам | |||
| 3 | 4 | 5 | 6 | |||||
| Станция 1 | 0,46 | 0,36 | 0,97 | 0,25 | 8,40 | 12,87 | 7,21 | 0,20 |
| Станция 2 | 0,84 | 0,48 | 0,89 | 0,32 | 4,18 | 6,80 | 3,02 | 0,34 |
| Станция 3 | 0,37 | 0,21 | 0,78 | 0,26 | 0,68 | 1,31 | 0,51 | 0,13 |
| Станция 4 | 0,78 | 0,32 | 0,94 | 0,29 | 6,74 | 12,22 | 5,74 | 0,33 |
| Станция 5 | 0,62 | 0,28 | 0,90 | 0,24 | 3,01 | 5,58 | 2,51 | 0,25 |
Полученные зависимости учитываются при определении значений коэффициентов устойчивости модулей и ТЛ в целом.
Так, количественную оценку устойчивости работы ТЛ предлагается осуществлять с использованием интегрального коэффициента устойчивости, зависящего от коэффициентов устойчивости функционирования отдельных модулей. При этом коэффициент устойчивости показывает, в какой мере отдельные модули и в целом грузовая станция могут обеспечивать выполнение технологических норм на обработку вагонов.
Величина коэффициента технологической устойчивости отдельного модуля ТЛ напрямую связана с надежностью его функционирования и может быть оценена как:
. (7)
где 
- норматив нахождения вагонов в модуле,
– «норматив» времени ожидания вагонами начала обслуживания;
– общий бюджет времени работы элемента в течение суток;
– суммарное время работы обслуживающего аппарата за время 
, мин (ч);
- суммарное время работы обслуживающего аппарата с вагонами в каком-либо модуле за время 
– средняя продолжительность отказа в работе модуля (время восстановления), мин (ч);
– среднее число отказов в модуле за сутки.
При оценке интегрального коэффициента устойчивости функционирования грузовой станции необходимо исходить из следующего.
1. Те модули, в которых используются одни и те же обслуживающие аппараты будут иметь идентичные коэффициенты технологической устойчивости.
Однако это не означает, что каждый из модулей будет одинаково влиять на общую величину интегрального коэффициента устойчивости функционирования грузовой станции.
2. Значения коэффициента устойчивости функционирования как отдельных модулей, так и интегрального коэффициента устойчивости функционирования в целом грузовой станции должны располагаться в пределах 
. Однако на практике могут возникать ситуации, когда при частых отказах обслуживающих аппаратах в модулях грузовой станции на ней будет постоянно выполняться технологическая норма простоя грузового вагона. В таких случаях следует говорить о том, что рассчитанные в технологическом процессе нормативы на обработку вагонов (либо на ожидание обработки) искусственно завышены. В этой связи формула (7) позволяет объективно оценить коэффициент технологической устойчивости функционирования каждого отдельного модуля, а результаты расчетов по ней, в сопоставлении с установленными технологическими нормативами, могут показать какие из последних являются завышенными.
3. В случае превышения технологической нормы времени нахождения группы вагонов в каком-либо модуле грузовой станции это превышение не может быть компенсировано в последующем модуле (последующих модулях) за счет имеющихся резервов. В противном случае следует говорить о некорректности расчетов по определению технологических норм, их завышению по отношению к имеющимся техническим мощностям.
Учет влияния отдельных модулей на интегральный коэффициент устойчивости функционирования грузовой станции целесообразно производить через потери вагоно-часов, связанных с отказами.
Среднее превышение нормативного времени нахождения грузового вагона в каком-либо модуле предлагается рассчитывать по формуле:
, (8)
Тогда суммарные дополнительные вагоно-часы нахождения вагонов во всех модулях грузовой станции будут равны:
, (9)
где 
– среднесуточное количество вагонов, обрабатываемых в каком-либо модуле грузовой станции.
– суммарное количество модулей обработки вагонов на грузовой станции;
– среднесуточное количество вагонов, обрабатываемых в i-м модуле грузовой станции;
– средняя продолжительность отказа в работе i-го модуля, мин (ч);
– среднее число отказов в i-м модуле за сутки;
– средняя продолжительность обслуживания одного требования (группы вагонов) в i-м модуле грузовой станции, мин (ч);
– общий бюджет времени работы i-го модуля в течение суток, мин (ч);
– суммарное время работы обслуживающего аппарата с вагонами в i-м модуле за время 
, мин (ч).
Следовательно, среднее превышение нормы времени нахождения одного вагона на грузовой станции составит:
, (10)
где 
– среднесуточное количество вагонов, обрабатываемых (прибывающих или отправляемых) на грузовой станции.
Если известна технологическая норма времени нахождения вагона на грузовой станции, то интегральный коэффициент устойчивости функционирования ТЛ может быть определен из выражения:
. (11)
Сравнительная оценка формул (7) и (11) показывает, что последняя включает в себя коэффициенты устойчивости функционирования всех отдельных модулей грузовой станции. Одновременно формула (11) позволяет определить наиболее неблагополучные (с точки зрения технологической надежности и надежности технических средств) модули для последующего принятия решений по повышению устойчивости их функционирования.
В рассматриваемой главе также выполнено моделирование фактического времени нахождения вагонов в ТЛ (
) для грузовых станций. Эксперименты поставлены для функционирования грузовых станций в условиях отсутствия отказов и в условиях их наличия.
По каждому модулю и в целом по ТЛ рассчитаны значения коэффициентов устойчивости их функционирования:
, (12)
где 
– среднее время нахождения вагона в модуле (на грузовой станции), полученное при моделировании с учетом появления технических и технологических отказов, ч;
– среднее время нахождения вагона в модуле (на грузовой станции), полученное при моделировании без учета появления технических и технологических отказов, ч.
При расчете коэффициентов устойчивости учитывались следующие важные особенности.
Фактически в числитель формулы (12) следовало бы подставить среднее время нахождения вагона в модуле, принятое из Технологического процесса работы станции. Однако при сравнении итоговых данных по результатам моделирования с данными о расчлененном простое вагона, содержащимися в технологических процессах рассмотренных грузовых станций, было выявлены следующие факты.
В отдельных случаях нормируемые времена нахождения вагонов в модулях (содержащиеся в технологических процессах станций) были ниже полученных по итогам моделирования без учета появления технических и технологических отказов. В основном это было обусловлено отсутствием учета ожидания их обработки, вызванного объективной причиной – загрузкой обслуживающего аппарата. Соответственно, приняв к учету эти времена из технологических процессов, коэффициенты устойчивости функционирования таких модулей были бы серьезно занижены.
В большинстве случаев наоборот нормируемые времена нахождения вагонов в модулях, содержащиеся в технологических процессах станций, были завышены по сравнению с полученными по итогам моделирования даже с учетом появления технических и технологических отказов. Соответственно, приняв к учету эти времена из технологических процессов, коэффициенты устойчивости функционирования таких модулей превысили бы 1, что противоречит их физическому смыслу.
Расчет коэффициентов устойчивости функционирования модулей 3-7 производился по формуле (13), что обусловлено разной величиной вагонопотока, проходящего данные модули ТЛ:
, (13)
где 
– суммарные вагоно-ч нахождения вагонов в модуле, полученные при имитационном моделировании с учетом появления технических и технологических отказов, ч;
– суммарные вагоно-ч нахождения вагонов в модуле, полученные при имитационном моделировании без учета появления технических и технологических отказов, ч.
При сравнении результатов моделирования коэффициентов устойчивости функционирования модулей и ТЛ в целом, с их расчетом по предложенной методике, было установлено, что последняя имеет достаточно высокую достоверность. Это позволяет рекомендовать ее в качестве базовой для оценки работы грузовых станций.
Анализ полученных значений коэффициентов устойчивости функционирования модулей грузовых станций показал, что:
- наименее устойчивыми модулями следует считать выполнение грузовых операций с вагонами на местах общего и необщего пользования. Именно в данных модулях заложен большой резерв по повышению устойчивости функционирования станций;
- наиболее высоким уровнем надежности функционирования характеризуются модули, в которых производятся операции по прибытию, расформированию составов, формированию составов из вагонов, прошедших грузовые операции, и отправлению сформированных поездов.
С экономической точки зрения воздействие помехообразующих факторов приводит к потерям из-за снижения уровня устойчивости функционирования ТЛ. В свою очередь, повышение устойчивости функционирования ТЛ и снижение задержек в ее модулях обеспечивается за счет дополнительных затрат на: создание резервов путевого развития, средств механизации и других ресурсов; вложений в средства контроля за исполнением технологической дисциплины, контроля надежности технических средств, а также в совершенствование технологий производственного процесса переработки вагонопотока и методик расчета технического нормирования.
В главе 4 изложены принципы управления устойчивостью функционирования технологической линии.
Под управлением устойчивостью в работе понимается разработка технологических решений и выбор структуры ТЛ, которые в результате оптимизации обеспечат устойчивый производственный процесс переработки вагонопотока с наименьшими приведенными затратами в течение заданного времени 
.
Целевая функция стоимостной оценки устойчивости ТЛ включает потери от снижения уровня устойчивости и затраты на создание дополнительных резервов, обеспечивающих устойчивость. Она может быть представлена в виде:
, (14)
где 
- убытки из-за снижения уровня устойчивости функционирования ТЛ, руб;
- приведенные затраты на мероприятия, связанные с обеспечением устойчивости функционирования ТЛ, руб.
Пользуясь предложенной методикой, в диссертации выполнена стоимостная оценка мероприятий направленных на повышение устойчивости функционирования ТЛ местного вагонопотока на грузовой станции Москва-товарная-Павелецкая, с учетом изменения характеристик надежности модулей по вариантам реконструктивных мероприятий.
Заключение
На основании проведенного исследования можно сформулировать следующие основные выводы и предложения.
1. В связи со сложной структурой пропускаемых и перерабатываемых вагонопотоков грузовую станцию в современных условиях необходимо рассматривать как сложную многофункциональную систему. Комплекс основных средств и устройств грузовой станции, обеспечивающих пропуск и переработку местного вагонопотока, целесообразно представлять в виде технологической линии (ТЛ), построенной по модульному принципу.
2. При разработке математической модели ТЛ местного вагонопотока на грузовой станции, необходим анализ функционирования станционных подсистем, участвующих в технологическом процессе. При этом предложено выделять 11 основных производственных операций и соответствующих им модулей обслуживания местного вагона в ТЛ.
3. Анализ характеристик надежности модулей ТЛ позволил определить помехообразующие факторы, вызывающие непроизводительные простои местных вагонов. Исследован характер и законы распределения отказов в модулях ТЛ и установлено, что, несмотря на общность в законах распределения отказов, в отдельных модулях ГС имеют место отличия в ряде числовых характеристик. Это свидетельствует о необходимости статистического обследования каждой грузовой станции при оценке устойчивости ее функционирования.
4. Количественную оценку устойчивости работы грузовой станции предлагается выполнять с использованием интегрального коэффициента устойчивости функционирования грузовой станции, зависящего от коэффициентов устойчивости функционирования ее отдельных модулей. Он показывает, в какой мере отдельные модули и в целом грузовая станция могут обеспечивать выполнение технологических норм на обработку вагонов.
5. Анализ процессов обработки вагонов на ряде грузовых станций показал, что существующие формулы теории массового обслуживания дают завышенные результаты простоя вагонов в модулях ТЛ по сравнению с фактическим их значением, особенно при высоких уровнях загрузки обслуживающих аппаратов. Предложены зависимости, позволяющие определять более точно продолжительности ожидания вагонами обслуживания в модулях грузовой станции.
6. Установлено, что величина коэффициента технологической устойчивости отдельных модулей грузовой станции напрямую связана с надежностью их функционирования. При этом, наличие отказа в работе модуля грузовой станции необходимо рассматривать в двух аспектах: в случае, когда отказ обслуживающего аппарата происходит в период обработки вагонов, он напрямую влияет на увеличение продолжительности нахождения вагонов в модуле; появление отказов в модуле в периоды отсутствия вагонов приводит к увеличению времени ожидания ими начала обслуживания.
7. Предложена методика расчета коэффициента устойчивости функционирования модуля грузовой станции, а также интегрального коэффициента устойчивости функционирования ТЛ, с учетом характеристик надежности модулей.
8. Выполнено моделирование работы грузовых станций, в результате которого получены значения коэффициентов устойчивости модулей ТЛ и грузовых станций в целом. Сравнение их с расчетом аналитическим способом показали, что последний имеет достаточно высокий уровень достоверности.
9. В целевой функции стоимостной оценки устойчивости функционирования ТЛ предлагается учитывать убытки из-за снижения уровня устойчивости функционирования ТЛ и затраты на мероприятия, связанные с обеспечением устойчивости функционирования ТЛ, при ограничениях на ресурсы, а также пропускную (перерабатывающую) способность в течение расчетного периода.
10. Предлагаемая методика позволяет на стадии проектных решений разрабатывать такую структуру и выбирать такие режимы функционирования ТЛ, которые в течение заданного времени обеспечат устойчивость производственного процесса переработки вагонопотока.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Подорожкина А.В. Анализ современного состояния и использования грузовых станций в ж.д. узлах. Тез.докл. на четвертой межвуз. науч.-метод. конф.: Актуальные проблемы ж. д. транспорта, Ч. I. – М.: РГОТУПС, 1999.-с.74-75.
2. Подорожкина А.В. Анализ современного состояния и использования комплекса технических средств станций в ж. д. узлах. Тез.докл. Первой международной науч.конф.творческой молодежи, 7-8 апреля 1999 г.: Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке. Хабаровск: ДВГУПС, 1999.-Т.2.-с.60.
3. Апатцев В.И., Подорожкина А.В. Анализ основных логистических показателей работы грузовых станций. Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта: Межвуз. сб. науч. тр.. – М.: РГОТУПС, - 2003. – с.26-29.
4. Апатцев В.И., Подорожкина А.В. Анализ технологической устойчивости грузовой станции. Проблемы разработки ресурсосберегающих технологий в эксплуатации железных дорог: Сб. науч. тр. каф. «УЭР» РГОТУПС. Вып.4.–М.: РГОТУПС, 2004. – с. 20-25.
5. Апатцев В.И., Подорожкина А.В. Оценка технологической устойчивости грузовой станции. Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования: Труды 62 межвуз. науч. техн. конф. творческой молодежи. 7-8 апреля 2004 г. Том 2. Хабаровск: ДВГУПС, 2004. – с. 31-32.
6. Подорожкина А.В. Разработка методов оценки и управления технологической устойчивостью грузовой станции на основе принципов логистики. Проблемы разработки ресурсосберегающих технологий в эксплуатации железных дорог: Сб. науч. тр. каф. «УЭР» РГОТУПС. Вып.6.–М.: РГОТУПС, 2006. – с. 59-65.
7. Апатцев В.И., Подорожкина А.В. Оценка технологической устойчивости функционирования грузовых станций// Наука и техника транспорта. – М.: РГОТУПС, 2007, №1. – с. 8-11.
8. Апатцев В.И., Подорожкина А.В. Оценка времени ожидания вагонами обслуживания в модулях технологической линии грузовой станции. Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта: Межвузовский сборник научных трудов./ Под ред. д.т.н., проф. В.А. Бугреева. – М.: МИИТ, 2010. – с. 35-42.
9. Апатцев В.И., Подорожкина А.В. Комплексная оценка технологической устойчивости грузовой станции. Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта: Межвузовский сборник научных трудов./ Под ред. д.т.н., проф. В.А. Бугреева. – М.: МИИТ, 2010. – с. 42-45.
10. Подорожкина А.В. Методика комплексной оценки технологической устойчивости грузовой станции// Наука и техника транспорта. – М.: МИИТ, 2010, №4. – с. 13-18.
11. Подорожкина А.В. Методы исследования и расчета характеристик надежности производственного процесса при обслуживании вагонов в подсистемах грузовой станции// Наука и техника транспорта. – М.: МИИТ, 2011, №1. – с. 39-47.
Подорожкина Алла Валентиновна
Разработка методов оценки И ПОВЫШЕНИЯ устойчивости функционирования технологической линии местного вагонопотока на грузовой станции
05.22.08 – Управление процессами перевозок
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
| Подписано к печати | _________________2012 | Объем | 1,5 п.л. | |
| Формат | 60х84/16 | |||
| Тираж 80 экз. | Заказ №_________ | |||
УПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д. 9, стр. 9
