ЛОГИСТИКА

Стратегическое управление техническими параметрами железной дороги при переменных объемах перевозок

УДК 625Л1 Космин Владимир Витальевич

канд. техн. наук, академик Российской Академии транспорта (Москва); e-mail: Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script

Статья получена: 10.09.2014. Рассмотрена: 12.09.2014. Одобрена: 17.09.2014. Опубликована онлайн: 01.09.2014. © РИОР

Аннотация. Рассмотрена в общей постановке задача стратегического управления техническим состоянием железной дороги при произвольном (монотонном — классический случай; немонотонном — общий случай) изменении перевозок. Показаны возможные ситуации и варианты их решения. Иллюстрированы типичные случаи монотонно растущих потребностей в перевозках и немонотонного изменения этих потребностей.

Ключевые слова: возможная и наличная грузонапряженность, монотонное и немонотонное изменение потребностей в перевозках, неравномерность перевозок, параметры технического состояния, резервы перевозочной мощности, схемы овладения перевозками.

Задача управления техническими параметрами железной дороги возникает при изменении потребности в перевозках во времени и в связи с необходимостью выполнения неравенства Г_в(0 > Г_п(7), предусматривающего, что возможная провозная способность Г_в должна быть не меньше потребной провозной способности Г_п для любого момента времени t е Т, где Т — расчетный срок (при проектировании новых железных дорог он составляет не менее 15 лет), в пределах, которого рассматривается задача управления техническим состоянием железной дороги.

Возможная величина грузовых перевозок Г_в, млн т/год, составляет:

5

где Q_cр — средняя масса поезда нетто, т;

п_гр — наличная пропускная способность в грузовом движении данного направления, поездов в сутки;

у — коэффициент внутригодичной неравномерности перевозок, у >1;

где п_мах — максимальная пропускная способность в данном направлении, поездов в сутки;

STRATEGIC MANAGEMENT OF RAILWAY LINETECHNICAL CAPABILITIES AT VARIABLE TRAFFIC VOLUMES Vladimir Cosmin

Ph.D. in Technical Sciences, Academician of Russian Academy of

Transport (Moscow); e-mail: Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script

Manuscript received: 10.09.2014. Revised: 12.09.2014. Accepted:

17.09.2014. Published online: 01.09.2014. © RIOR

Abstract. The general formulation of the strategic management of the

technical condition of railway at random (monotonic — a classic case,

and nonmonotonic — a generic case) change in transport is considered. Possible situations and their solutions are showed. The illustrations for common cases, such as monotonically increasing needs in transportation and non-monotonically changing needs in transportation showed. Keywords: possible and demanded density of freight traffic, monotonic and nonmonotonic change of transport demand, irregularity of transportation, parameters of technical state, reserves of traffic capacity, diagram of forwarding take-over.

я_пас, я_сб, ^уск ^— число пассажирских, сборных и ускоренных поездов соответственно (эти величины являются экзогенными и для конкретной железной дороги определяются в процессе экономических изысканий);

е_пас, ^?сб’ ^еуск ^— коэффициенты съема грузовых поездов пассажирскими, сборными и ускоренными соответственно (е_пас>1, е_сб>1, е >1)

Максимальная пропускная способность п_мах определяется по формуле

где 1440 — число минут в сутках;

^техн ^— продолжительность технологического перерыва в движении поездов («окна»), мин;

а_н — коэффициент надежности работы технических устройств, К < 1;

Т_пер ^— период графика движения поездов, мин.

Продолжительность «окна» зависит от числа главных путей на перегоне и задается соответствующими нормативами (60 или 120 мин.).

Для однопутной железной дороги период графика:

где /_т, t_Q — время хода по перегону в направлении туда и обратно соответственно, мин;

/_рз — суммарное время на разгон и замедление поезда при отправлении со станции и подходе к станции, мин;

t_CT — станционные интервалы, связанные с подготовкой к приему поезда на станцию и к его отправлению со станции, мин.

Величины t₁ и t_Q зависят от длины перегона и от скорости движения по нему; величина /_рз зависит от мощности локомотива и от массы поезда, a t_CT — от системы оснащения станции устройствами сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) и от системы связи на станции.

Для двухпутной железной дороги Т_пер равен интервалу попутного следования поездов, что намного меньше величины Т_пер для однопутного графика.

Масса поезда в тоннах:

где F_K — касательная сила тяги локомотива, кГ/т (зависит от принятого для эксплуатации типа локомотива);

п — число локомотивов (их может быть два, три, четыре в зависимости от массы поезда брутто и от максимального уклона, чаще всего — от руководящего уклона i_p);

Р — масса локомотива, т (зависит от принятого типа локомотива);

w₀' и w₀' — основное удельное сопротивление движению локомотива и вагонов соответственно, кГ/т (зависит от типа локомотива и типа грузовых вагонов);

i_p — руководящий уклон, %о (зависит от топографических условий местности в районе проложения железной дороги и от ряда эксплуатационных характеристик).

Таким образом, к числу технических параметров относятся число главных путей (один или два), вид тяги (электрическая или тепловозная), тип локомотива (его сила тяги и скоростные характеристики), расположение раздельных пунктов (расстояние между ними зависит от времени хода, которое определяет пропускную способность железной дороги на конкретном участке), полезная длина приемоотправочных путей (от нее зависит масса поезда, поскольку необходимая для принятой массы поезда сила тяги может быть подобрана соответствующим числом локомотивных секций), средства СЦБ и связи (от них зависит пропускная способность участка (перегона) железной дороги).

Исходя из перечисленных основных технических параметров, можно наметить основные мероприятия, позволяющие изменять техническое состояние и, соответственно, возможную провозную способность железной дороги. Это могут быть [1] переход с полуавтоматической блокировки на автоматическую (А) с од-

12)

новременной электрической централизацией управления стрелочными переводами, удлинение станционных путей (У) с адекватным повышением массы грузовых поездов, открытие дополнительных разъездов (Р), переход с обыкновенного параллельного графика движения поездов на частично-пакетный или пакетный (Ч) с укладкой дополнительных станционных путей на раздельных пунктах, электрификация железной дороги (Э), устройство дополнительных главных (вторых) путей (Д). Указанные мероприятия различаются степенью влияния на возможную провозную способность железной дороги, на необходимые для их проведения капитальные вложения и на последующие эксплуатационные затраты. При этом некоторые из мероприятий проводятся однократно (удлинение станционных путей, оборудование автоблокировкой и электрической централизацией, введение электрической тяги и др.), а другие мероприятия могут проводиться не один раз (открытие дополнительных разъездов, изменение массы поездов).

Величину Г_п определяют прогнозом на основе технико-экономических изысканий, и

она может существенно колебаться в силу высокой степени неопределенности ожидаемых объемов перевозок на достаточно длительную перспективу, составляющую при проектировании новых железных дорог до 15 лет, плюс несколько лет на проектирование и строительство (реконструкцию, техническое перевооружение) конкретной железной дороги. Анализ реализуемости прогнозных (расчетных) грузопотоков, проведенный на основе проектной и отчетной документации по 78 железным дорогам суммарной протяженностью 14,25 тыс. км, запроектированным в 1950—1980 гг. и сданным в постоянную эксплуатацию, показал [2; 3], что величины отклонений расчетных потоков от фактических весьма большие: примерно на 90% по протяженности рассмотренных железнодорожных линий исполненные грузопотоки меньше расчетных (только на нескольких линиях ситуация иная — фактические грузопотоки оказались больше расчетных). При этом в среднем на половине протяженности рассмотренных железных дорог на расчетные сроки фактические грузопотоки меньше проектных на 50—90% (рис. 1).

Рис. 1. Кривые распределения отклонений Г, %, расчетных грузопотоков от исполненных на 5-й (а) и 10-й (б) годы

эксплуатации: L — суммарная протяженность обследованных железных дорог, %;--транзитные железнодорожные

линии;----тупиковые железные дороги

В принципе управление техническим состоянием может быть оперативным, текущим и стратегическим. И оперативное, и техническое управление текущим состоянием железной дороги связаны с отклонениями его от расчетного или ввиду непредвиденного возрастания потребности в перевозках либо в связи с возникшими форс-мажорными обстоятельствами (природные катаклизмы или технические аварии) и осуществляются посредством проведения организационно-технических мероприятий. Стратегическое управление техническим состоянием железной дороги вызвано прогнозируемыми изменениями потребности в перевозках и требует существенного трансформирования ее технических параметров с целью обеспечения Г_в > Г_п.

Классический подход к выбору технических параметров железной дороги основывается на предпосылке о монотонном росте грузопотока на ней. Задача ставится как подбор такой последовательности технических состояний, определяемой комплексом принятых технических параметров, при которой: а) каждое очередное техническое состояние обеспечивает более высокую возможную провозную способность по сравнению с предыдущим; б) перечень и объем бросовых работ при переходе к очередному техническому состоянию минимальный; в) продолжительность функционирования железной дороги на каждом техническом состоянии достаточно большая и обеспечивает возможность выполнения строительно-монтажных работ (СМР) для наращивания провозной способности в связи с переходом к очередному техническому состоянию; г) резерв мощности на каждом техническом состоянии экономически обоснован. Поскольку возможны различные варианты освоения заданных объемов перевозок Г_п(0 во времени, экономически оптимальный вариант определяют на основе критерия

где ЧДД — чистый дисконтированный доход за время Т;

Т — расчетный период сравнения вариантов;

R_t — результаты (доходы), достигнутые за год t

3_t — расходы за год t;

а₍ — коэффициент дисконтирования в год t,

где Е — норма дисконта.

Вариант последовательности технических состояний (схема овладения перевозками) признается как экономически целесообразный при ЧДД > 0. Чем больше величина ЧДД, тем вариант предпочтительнее. Поскольку в случае выбора последовательности технических состояний для конкретной железнодорожной линии варианты практически одинаковы по длине и величине R, за рассматриваемый период по вариантам практически равны, вместо ЧДД можно использовать приведенные строительно-эксплуатационные расходы:

где К, и С, — соответственно капитальные вложения и эксплуатационные затраты (текущие расходы) в год t с учетом налогов.

В этом случае экономически целесообразным признается вариант с меньшей величиной Э_пр.

В качестве примера на рис. 2 показан совмещенный график Г_п(/) и Г_в(0 для трех технических состояний 1, 2 и 3, позволяющий наметить три схемы овладения перевозками I, II и III (пунктирная, сплошная и штрихпун- ктирная линии соответственно). В частности, в качестве технического состояния 1 можно принять однопутную железнодорожную линию на тепловозной тяге при полуавтоматической блокировке; в качестве технического состояния 2 — однопутную железную дорогу при электрической тяге и при автоматической блокировке как средстве управления движением поездов; в качестве технического состояния 3 — то же, но железнодорожная линия двухпутная. Тогда схема I овладения перевозками трехэтапная и предусматривает начало эксплуатации при техническом состоянии 1, затем к году t_l — электрификация железной дороги с устройством автоматической блокировки (техническое состояние 2), а еще позже, в год t₂ — сооружение дополнительного главного пути (двухпутная железная дорога при техническом состоянии 3), т.е. если обозначить однопутную линию с полуавтоматической блокировкой через О, то эта схема имеет вид О —> Э +А —> Э+ + А + Д. Схема II овладения перевозками двухэтапная и предусматривает начало эксплуатации сразу электрифицированной однопутной железной дороги при оснащении устройствами автоматической блокировки (техническое состояние 2), что характеризуется б льшим по сравнению со схемой I резервом перевозочной мощности и эксплуатацией на электрической тяге с первых лет рассматриваемого периода с последующим переходом в год t₂ на сооружение дополнительного главного пути (последовательность О + Э + А —? Э + А + Д). Схема III овладения перевозками одноэтапная: предусматривает эксплуатацию железной дороги как двухпутной электрифицированной и оснащенной автоматической блокировкой с самого начала (ее техническое состояние описывается параметрами Э + А + Д) и характеризуется максимальными резервами мощности, но в течение рассматриваемого расчетного срока не требует проведения промежуточных СМР, что благоприятно отражается на организации эксплуатационной работы и позволяет получить экономию на СМР вследствие исключения необходимости повторного развертывания строительно-монтажных организаций. Однако резервы перевозочных мощностей здесь максимальные и длительное время не используются, т.е. первоначальные капитальные вложения надолго заморожены.

Рис. 2. Совмещенный график этапного наращивания мощности при монотонно растущих потребностях в перевозках

Для показанных на рис. 2 схем овладения перевозками наилучшей будет та схема из трех намеченных, у которой приведенные строительно-эксплуатационные расходы наименьшие. Для схемы I соответствующие расходы:

где К, — капитальные вложения на ввод в действие железнодорожной линии в техническом состоянии 1;

К₂ — капитальные вложения на переход из состояния 1 в состояние 2 в год t_{;

К₃ — то же из состояния 2 в состояние 3 в год t₂;

С® — эксплуатационные расходы в год t при техническом состоянии j,j = 1,2;

ai — коэффициент приведения разновременных затрат (дисконтирующий множитель),

где Е — ставка дисконта.

Для схемы II

Для схемы III

Однако монотонно растущие потребности в перевозках не исчерпывают возможные ситуации их изменения. Достаточно длительные колебания грузопотоков могут быть обусловлены назначением линии, ее местом и ролью на сети железных дорог или в конкретном полигоне. Например, такие колебания могут быть вызваны несинхронностью развития мощностей железной дороги и объектов капитального строительства (опережающие или запаздывающие по сравнению с плановыми сроками вводы промышленных, горнорудных и других предприятий) в районе тяготения линии. Другая причина — неопределенность расчетных грузопотоков на рассматриваемый период.

2321 121

I RIOR

В силу изложенного ограничение постановки задачи выбора параметров технического состояния только случаем монотонного нарастания потребностей в перевозках во времени Г_п(/) неправомерно. Могут встретиться ситуации, когда функция Г_п(0 немонотонная, имеет участки роста, стабилизации и падения перевозок, чередующиеся в том или ином порядке. Например, это может быть связано с транспортным обеспечением сооружения крупного промышленного предприятия, продукция которого вывозится не железнодорожным транспортом, или со строительством золото- либо алмазодобывающего рудника.

Другая ситуация возникает, например, при финансово-экономических кризисах, когда за падением перевозок следует их рост, причем между этими двумя нестационарными режимами большее или меньшее время длится период, когда перевозки находятся на минимально низком уровне.

В таких ситуациях возникает непредвиденный разрыв между Г_п и Г_в. При классической постановке это временный избыток мощности (резерв, обусловленный этапным ее наращиванием и уменьшающийся по мере роста перевозок), который раньше или позже, но обязательно будет использован и/или исчерпан. В случае немонотонного изменения потребностей в перевозках упомянутый разрыв также носит временный характер. Но в отличие от предыдущей ситуации этот резерв может не только уменьшаться (если за временным увеличением перевозок следует их падение), но и нарастать (затем вновь наступает его уменьшение в связи с ростом потребности в перевозках). Вследствие этого возникает проблема либо вывода мощностей железной дороги (ее участка) из эксплуатации, либо временного наращивания их.

Возможные пути разрешения этой проблемы зависят от величины временного дефицита (избытка) мощности и от продолжительности этого явления.

При единичном краткосрочном всплеске (или падении) потребностей в перевозках возможны две принципиально различные группы вариантов решения проблемы. В одну группу входит переключение избыточного грузопотока на параллельный ход или — в случае падения перевозок — принятие грузопотока с параллельного хода, где образовалась либо существует избыточная потребность в перевозках, которую нельзя освоить на нем. Эта ситуация проиллюстрирована на рис. 3.

Здесь можно представить следующие схемы овладения перевозками. Схема I — ввод железной дороги в эксплуатацию как однопутной на тепловозной тяге (состояние 7), переход в год /, на автоматическую блокировку в связи с недостаточной перевозочной мощностью (состояние 2), затем в год t₂ — открытие дополнительных разъездов (состояние 3), а в дальнейшем в год /₃ в связи с падением потребности в перевозках — закрытие упомянутых дополнительных разъездов (возврат к техническому состоянию 2), т.е. схема II предусматривает последовательность О —> О + А —> —>0 + А+ Р —> О + А. Схема III овладения перевозками в рассматриваемом случае динамики Tn(t) предусматривает ввод железной дороги в эксплуатацию как однопутной, оснащенной автоблокировкой, и при открытых дополнительных разъездах (аналогично схеме II на втором этапе), а затем, в год t₃, в связи с падением потребности в перевозках — закрытие излишних разъездов, т.е. переход к состоянию 2. Таким образом, схема III имеет вид О + А + Д —» О + А.

Соответствующие суммарные приведенные строительно-эксплуатационные расходы для каждой из показанных на рис. 3 схем вычисляются по тем же формулам (1)—(3), поскольку после года t₂ технические состояния по всем трем схемам одинаковые и на выбор лучшего из намеченных вариантов не окажут влияния.

Рис. 3. Немонотонное изменение грузопотоков с единичным максимумом потребности в перевозках

Другую группу образуют ситуации (рис. 4), предусматривающие проведение временных мероприятий по наращиванию (или выводу из эксплуатации) мощности, требующих сравнительно невысоких затрат. При дефиците мощностей это могут быть повышение массы поезда, вождение сдвоенных или строенных поездов, открытие дополнительных раздельных пунктов, изменение графика движения поездов или средств СЦБ. В случае падения потребности в перевозках возможно закрытие отдельных раздельных пунктов, уменьшение массы поездов и др.

Показанная на рис. 4 схема I предполагает ввод железной дороги в эксплуатацию как однопутной с автоматической блокировкой (состояние /), а в связи с ожидаемым ростом перевозок и возникающим дефицитом перевозочных мощностей — переход в год t_x на обращение поездов повышенной массы (состояние 2), например, сдвоенных. Затем, после минования потребности в дополнительных перевозочных мощностях — отказ в год t₂ от эксплуатации таких поездов, а в дальнейшем, при значительном росте ожидаемых перевозок— в год /₃ электрификация железной дороги (состояние 3). Описанная схема I овладения перевозками описывается последовательностью технических параметров О + А —> О + +А+ У —>0 + А—>А + Э.

Приведенные строительно-эксплуатационные расходы при этой схеме овладения перевозками составят

где К. ₂ — расходы, связанные с выводом технического состояния 2 и возвратом к техническому состоянию /, включая возвратные суммы, если они имеются.

Схема II (см. рис. 4) предусматривает эксплуатацию железной дороги на состоянии 2, описываемом совокупностью технических параметров О + А + У, а затем, при возникнове-

12)

Рис. 4. Немонотонное изменение потребных грузопотоков с однократным падением перевозок

нии дефицита возможной провозной способности (нарушение неравенства Г_в > Г_п) — переход в год /₄ на состояние 3, т.е. в целом схема II имеет вид О + А + У —? А + У + Э.

Приведенные строительно-эксплуатационные расходы при этой схеме

Наконец, схема III (см. рис. 4) предполагает ввод железной дороги в эксплуатацию сразу на состоянии 3, т.е. имеет совокупность технических параметров О + А + У + Эи позволяет отказаться от промежуточных этапных изменений технического состояния, но на длительное время «замораживает» введенные мощности и, соответственно, неэффективно использует капитальные вложения.

Приведенные строительно-эксплуатационные расходы при этой схеме

Лучшей будет схема с наименьшими приведенными строительными затратами:

Если имеет место несколько максимумов (минимумов) потребностей в перевозках, задача усложняется, поскольку требуется определить технико-экономическую целесообразность неоднократных наращиваний и последующих снижений возможной провозной способности железной дороги (участка).

Во всех случаях при немонотонном изменении грузопотока на железной дороге возникает основная задача — выбор опорного (базового) технического состояния, обеспечивающего потребности в перевозках в течение длительного периода времени. А в дополнение к ней приходится решать задачу временного наращивания мощности либо вывода ее из эксплуатации на некоторое время как избыточной, если потребности в ней нет на достаточно продолжительное время, а указанные мероприятия технико-экономически обоснованы.

Особенностью выбора опорного (базового) технического состояния является требование к повышенной его гибкости, обеспечение возможности экономически обоснованного наращивания (снижения) наличной провозной способности в период эксплуатации. При этом необходимо учитывать не только абсолютную величину избытков и дефицитов провозной способности, но и уровень провозной способности при начальном (базовом) техническом оснащении.

Если задача немонотонного изменения перевозок возникает на уже существующей железной дороге, проблема наращивания (вывода из эксплуатации) перевозочных мощностей осложняется ограниченным числом вариантов, что обусловлено наличием фактически действующих сооружений и устройств, возможностями их развития либо закрытия (замены менее мощными с целью последующей утилизации выводимых ресурсов или для снижения платы за основные фонды).

В целом проблема технического оснащения железной дороги (ее участка) при изменении потребности в перевозках носит технико-экономический характер и требует исследования влияния характера и длительности каждой из зон немонотонности, стоимостных затрат на отдельные мероприятия и т.д. на эффективность тех или иных решений.

Литература

1. Козин Б.С., Козлов И.Т. Выбор схем этапного развития шений по строительству железных дорог, станций и уз-

железнодорожных линий (с применением ЭЦВМ). М.: лов». М.: ЦНИИС, 1984. С. 4-10.

Транспорт, 1964. 3. Козлов А.М., Космин В.В., Ткачевский И.Д. Анализ и

2. Козлов А.М., Карташова Н.Л., Космин В.В. Повыше- оценка надежности расчетных грузопотоков на желез-

ние достоверности исходных данных о предстоящих ных дорогах-новостройках // Проблемы функциониро-

перевозках — резерв снижения стоимости строительст- вания и развития инфраструктуры народного хозяйства новых железных дорог // Сб. науч. трудов ЦНИИСа ва: Сб. М.: ВНИИСИ, 1986. Вып. 8. С. 85—91.

«Вопросы повышения обоснованности проектных ре-