Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Железнодорожный транспорт Российской Федерации за более чем двухвековую историю работы был и остается источником и предпосылкой успехов экономического развития, обороноспособности и социальной устойчивости. Высшей ступенью железнодорожной инфраструктурной и транспортной интеграции являются железнодорожный узел – пункт пересечения или примыкания нескольких линий, объединяющих ряд связанных соединительными ходами станций и раздельных пунктов, работающих по единой технологии [3, 5].

Отечественная транспортная наука классифицирует железнодорожные узлы по характеру эксплуатационной работы, географическому расположению, численности населения, характеру производительных сил, по схеме размещения основных устройств (геометрическому очертанию) и системе управления. Однако, в настоящее время из-за различных деструктивных факторов имеет место объединение в железнодорожных узлах специализированных по характеру работы станций, не наследующих признаков целостной системы и имеющих недостатки: несущественные технологические связи отдельных узловых станций; нерациональная передача поездопотока; непланомерное развитие; отсутствие обходов узлов для пропуска транзита и поездов ВСМ.

Принятое деление узлов по геометрическому размещению станций «размывается» и не в полной мере отражает особенности технологии работы: направления внутриузловых поездопотоков; интенсивность работы; соотношение грузовых и пассажирских перевозок; степень взаимодействия с другими видами транспорта; уровень обслуживания предприятий, производств и населения; неопределенность среды функционирования транспортно-технологических систем узла; отсутствие достаточно достоверных прогнозных данных; возможность автоматизации систем управления; экологическую нагрузку и т.п.

1. История формирование узловой инфраструктуры железных дорог

Первые железнодорожные узлы в России начали формироваться [3] в 1853 г., когда между станциями Петербург-Московский и Петербург-Варшавский была построена соединительная ветвь. Впоследствии такие ветви соединили станции Балтийской и Варшавской железных дорог и станцию Петербург-Сортировочный-Московский, портовая ветвь соединила Варшавскую линию со станцией Новый порт и станцию Пущино до Морской пристани. Так к началу 80-х годов зародился Петербургский ж.-д. узел.

Московский узел начал формироваться в середине 60-х годов, когда были построены соединительные ветви между станцией Москва-Курская и постом Петербурго-Московской дороги (1866 г.), а также между станциями Москва-Западная и Москва Петербурго-Московской дороги (1870 г.). К 1908 г. в Московском узле все железнодорожные линии были соединены Окружной железной дорогой; таким образом, был создан первый российский железнодорожный узел кольцевого типа.

Начало формирования железнодорожных узлов в южных регионах России связано с постройкой в 1875 г. соединительной обводной ветви между станциями Ростов и Кизитеринка, обеспечившей следование поездов с Воронежской линии на юг и обратно. Дальнейшее развитие железнодорожных узлов было связано со строительством и примыканием новых линий к существующим и специализация станций. В 1875–1902 гг. были созданы железнодорожные узлы в Воронеже, Харькове, Курске, Бресте, Барановичах и других крупных населенных пунктах

С 1923 г. началось объединение железнодорожных узлов с передачей управления ими на одну дорогу и концентрацией работы на более развитых станциях. К 1927 г. было объединено около 70 узлов. Это позволило упорядочить работу узлов, повысить перерабатывающую способность, ускорить формирование поездов, уменьшить простой вагонов и сократить эксплуатационные расходы. Были выполнены работы по развитию Свердловского (1931–1933 гг.), Синарского, Тагильского, Пермского, Челябинского узлов (1933–1935 гг.). В Новосибирске в 1933–1934 гг. сооружена сортировочная станция Инская. В 1934 г. сдана в эксплуатацию станция Магнитогорск-Сортировочный.

Рост размеров движения на направлениях, связывающих Центр с югом, вызвал необходимость переустройства Ростовского узла. В Ростовском узле была построена двусторонняя сортировочная станция Батайск (1927–1929 гг.). Северо-Кавказская железная дорога (СКЖД) – филиал ОАО «РЖД» пролегла по территории, ограниченной Азовским и Черным морями на западе и Каспийским на востоке, Восточно-Донской грядой на севере и Кавказским хребтом на юге. Важнейшие железнодорожные узлы СКЖД – Ростовский, Батайский, Лиховской, Новороссийский, Минераловодский и др. образованы в местах пересечения железнодорожных магистралей, в крупных административных зонах и промышленно развитых районах.

Российский научный опыт проектирования генеральных планов железнодорожных узлов был накоплен в результате огромной работы, проделанной научно-исследовательскими и проектными институтами, ВУЗами России совместно с крупнейшими специалистами – учеными-транспортниками и архитекторами. Методы проектирования узлов обоснованы и теоретически развиты в работах академиков И.П. Бардина, М.А. Павлова, В.Н. Образцова, профессоров С.П. Бузанова, А.С. Герасимова, С.Е. Гибшмана, П.Ф. Дубинского, С.В. Земблинова, И.И. Костина, В.Д. Никитина, Ф.И. Шаульского, К.Ю. Скалова, Н.Е. Ускова, выдающихся инженеров – С.С. Берлянда, А.А. Волнина, А.С.Гельмана, К.П. Костенецкого, С.И. Лабадина, А.Н. Неллингера, Л.Е. Плешкова и др. Важный вклад в разработку современной теории проектирования транспортно-технологических систем узлов внесли профессора Е.В. Архангельский, В.М. Акулиничев, А.К. Головнич, А.Т. Дерибас, В.А. Дмитриев, Ю.И. Ефименко, Б.Б. Жардемов, И.Т. Козлов, В.Я. Негрей, В.М. Николашин, А.Т. Осьминин, В.А. Персианов, Н.В. Правдин, В.В. Повороженко, А.А. Смехов, Н.К. Сологуб, Н.Н. Шабалин, М.И. Шмулевич и др., кандидаты технических наук В.М. Мирошниченко, В.Н. Дегтяренко, А.С. Писанко, В.А. Покавкин, А.Я. Локтев, В.А. Бураков, К.М. Добросельский, К.К. Таль, А.Н. Корешков, А.М. Корнаков, С.И. Логинов, Ю.П. Наяшков, Е.И. Сычев, В.Н. Чернов, Е.Г. Лазарев, В.М. Астафьев и др.

2. Методы визуализации узловой инфраструктуры

Железнодорожный узел является важным инфраструктурным элементом железных дорог, обеспечивающим эффективную работу всей транспортной сети. Пребывание подвижного состава в узле составляет 50–60 % всего времени оборота, в узлах концентрируется основной объем сортировочной работы с удельным весом в общей переработке вагонов на железнодорожной сети – более 40 %.

Формализация железнодорожной схемы узла является важной задачей и должна отвечать многим требованиям. Наиболее полно для решения поставленных целей отвечает теория графов, позволяющая описывать геометрические схемы узлов и станций при помощи планарного связанного графа G = {X, U}, где X – множество вершин графа, Х ∈ {Х1, Х2,Х3 ... Хn}; U – множество ребер графа, соединяющих вершины, U∈ {(Х1; Х2), (Х2; Х3) ... (Хn-1; Хn)}.Граф представляется квадратной матрицей смежности А=[aij]порядка n×n, где n – количество вершин графа. Элементы матрицы аij, стоящие на пересечении i-й строки и j-го столбца принимают значения 0 или 1, в зависимости от наличия или отсутствия связи.

В виде графов выполнена визуализация узловых инфраструктур 17 основных железнодорожных узлов Северо-Кавказской железной дороги: Ростовского, Батайского, Таганрогского, Лиховского, Минераловодского, Прохладненского, Гудермесского, Махачкалинского, Краснодарского, Кавказского, Тихорецкого, Новороссийского, Крымского и др. Рассмотрены также характерные узлы других дорог: Московский, Санкт-Петербургский, Астраханский, Череповецкий, Вологодский и др. Одновременно, для количественной оценки меры сложности узла [7, 9] разработаны вероятностные модели узловых инфраструктур. Тогда, уровень организации узловой транспортной структуры (системы) или ее «избыточность» равна   где R – уровень относительной организации системы или «избыточность»; Н – текущее (фиксированное на данный момент времени) значение неопределенности системы; Нmax – максимально возможная неопределенность системы. Изменение уровня организации системы характеризуется изменением ее неопределенности, мерой степени которой может быть принята энтропия, определяемая по формуле где Ai – состояние системы; P(Ai) – вероятностный показатель состояния системы (i = l,2, ..., n); n – количество возможных состояний системы; а = 2 – основание логарифма.

Рис. 1. Примеры схем, графов и вероятностных моделей железнодорожных узлов

Рис. 2. Примеры схем, графов и вероятностных моделей железнодорожных узлов

Каждую узловую подсистему можно характеризовать энтропией двух случаев: вероятностью безотказной работы p и вероятностью отказа (задержек) q=1–p. Тогда .

На рис. 1 и 2 представлены схемы железнодорожных узлов, их графы и вероятностные модели. В табл. 1 представлены инфраструктурные показатели узлов, а в табл. 2 – расчетные значения уровней организации узловых структур.

Таблица 1

Инфраструктурные показатели узлов

Таблица 2

Ведомость расчета уровней организации узлов

Из табл. 2 следует, что средний уровень организации узлов составляет от 0,753 до 0,978, причем в узлах тупикового типа он принимает меньшее значение.

3. Цель исследования. Методы оценки структур железнодорожных узлов

В отечественной транспортной науке оценка структур и уровней транспортно-технологической организации железнодорожных узлов выполнена несколько разрозненно с большой долей эмпирической составляющей. Целесообразно отойти от разноуровневой классификации узлов с преобладающей геометрической составляющей и разработать единую системную классификацию на основе новых и модифицированных критериев оценки. Следует отметить, что работы в данном направлении уже ведутся, например расчет семизначного «персонального кода» железнодорожного узла [2], но ограничены из-за сложности и многовариантности.

Предлагается новый метод оценки показателей транспортной инфраструктуры железнодорожных узлов в виде системы классов и их балльного рейтинга. Класс узла K формируется из множества значений подклассов Kузла={k1,k2,…,kn} показателей.

Последовательность оценки может быть представлена в виде этапов.

Этап 1.Оценка технологической работы железнодорожных узлов на основе модифицированной системы показателей [4]:

- работа узла в единицу времени (транспортная производительность) , где N – поездопоток узла; T = 24 ч – период времени; L – пробег по главным путям узла, км;

- размер движения, где V – участковая скорость, км/ч;

- линейная плотность поездопотока;

- размер транспортного действия ;

- плотность поездопотока по площади узла ;

- транспортное давление;

- грузовая интенсивность.

Например, для узла «Р» показатели составили: работа в единицу времени ; количество движения плотность поездов ; транспортное действие ; плотность по площади ; транспортное давление ; грузовая интенсивность

Этап 2. Расчет средневзвешенного стратегического значения класса узловых станций по формуле , где n – количество станций в узле;i – класс каждого раздельного пункта. Принято, что если станция внеклассная, то ее значение класса i не вносится в квадратный корень, но учитывается в количестве станций n. Например, средневзвешенное значение классов станций узла «Р» будет равно (при двух внеклассных станциях):.

В табл. 3 рассчитаны показатели работы основных железнодорожных узлов.

Таблица 3

Показатели работы железнодорожных узлов

Этап 3. Расчет годовых эксплуатационных расходов по развозу внутриузлового грузопотока П(L), млн руб.выполняется по формуле при ограничениях Qmin≤ Q ≤ Qmax;сij> 0, где qi – объем перевозок между узловой сортировочной (распределительной) 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 узловой сортировочной (распределительной) 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 (распределительной) станции, млн руб.; Ен – нормативный коэффициент окупаемости капитальных вложений; Qmin – минимальный объем сортировочной работы, при котором целесообразно строительство самостоятельной узловой сортировочной станции; Qmax – максимальный объем сортировочной работы для данного типа сортировочной станции.

Решение транспортной задачи выполняется разработанным в [8] комбинаторным методом.

Этап 4. Формируется сводная ведомость показателей, характеризующих узловые структуры (табл. 4), и проводится сравнительный анализ показателей в зависимости от степени их воздействия (положительного или отрицательного) на структуру узла по следующим критериям: произведений, Гурвица и разработанному модифицированному критерию Гермейера[1].

Таблица 4

Сводная ведомость показателей узловых структур

Критерий Гурвица (HW-критерий) характеризуется взвешенной позицией пессимизма-оптимизма, отражающей отношение лица, принимающего решение к неопределённости экономических результатов. В данном подходе при сравнении альтернативных вариантов за основу принимаются «взвешенные» критерии «крайнего» пессимизма (ММ-критерием) и «крайнего» оптимизма (H-критерием). Выбирается решение, применительно к которому «взвешенная» оценка будет наиболее приемлемой (наибольшей).Целевая функция критерия представлена следующим образом, , где c – соответствующий «весовой» коэффициент, в расчетах принят 0,45..

Критерий произведений (Р-критерий) характеризуется менее пессимистической позицией к неопределённости экономического результата, чем максиминный MM-критерий, но более пессимистической, чем нейтральный N-критерий. При нахождении параметра, характеризующего альтернативное решение, элементы матрицы полезностей соответствующей строки перемножаются. Целевая функция критерия имеет вид, .Так как при использовании значительного числа оценочных факторов показатель критерия получается излишне громоздким, предлагается привести его к виду средневзвешенного значения .

Критерий Гермейера ориентирован на отрицательные значения элементов векторов-строк в матрице полезностей, характеризующих анализируемые решения. Она применяется в основном для решения задач выбора по оптимизации величины потерь или затрат. Матрица потерь будет содержать отрицательные элементы. Для сохранения особенности структуры, присущей G-критерию, но уже применительно к анализу решений с положительными элементами в матрице полезностей, привело к формализации специального критерия, который назван модификацией критерия Гермейера G(mod). Для расчета необходимо задать дополнительно субъективную оценку значимости показателя qj– для вероятности события θj, . В расчете отдано предпочтение показателям поездопотоков q=0,89.

Целевая функция модифицированного G(mod)-критерия Гермейера имеет вид ,

Так как показатели, сводимые к комплексному критерию, имеют разные единицы измерения, то их необходимо привести к безразмерному виду. Для этого предлагается использовать модифицированный вариативный показатель k(θ) с диапазоном значений от 1 до 100. При этом следует учесть, что для факторов, отрицательно влияющих на суммарные доходы от перевозок, используется формула , причем, чем меньше его значение – тем лучше. И, наоборот, для ситуаций, положительно влияющих на суммарные доходы от перевозок, применяется формула , где 1–нижний предел вариативного показателя рейтинга; 99 – принятый размах вариации; θi– значение i-го показателя в выборке; θmax, θmin – максимальное и минимальное значения выборки.

Критерий оценки рейтинга (класса) железнодорожного узла имеет следующий вид:, , где HW, P, G(mod)– оценочные значения по критериям Гурвица, произведений и модифицированному критерию Гермейера соответственно;n1, n2, n3 – коэффициенты, отражающие степень значимости того или иного критерия принятия решения. По значению критерия оценки определяется класс узла.Ранжирование показателей узлов по приведенным критериям сведено в табл. 5, 6, 7.

Таблица 5

Ранжирование показателей узлов по HW-критерию

Таблица 6

Ранжирование показателей узлов по G(mod)-критерию

Таблица 7

Ранжирование показателей узлов по Р-критерию

Этап 5. Ранжирование железнодорожных узлов в соответствии с классами разработанного научно-методического комплекса.

4. Научно-методический комплекс классификации железнодорожных узлов

На кафедре «Станции и грузовая работа» ФГБОУ ВПО РГУПС (г. Ростов-на-Дону) выполняются научные исследования по созданию новой методики классификации железнодорожных узлов. Перспективная классификационная система узлов представлена в виде I, II, III, IV и V класса (табл. 8), в которых общесистемный класс узла К*включает множество показателей подклассов К* = {k1, k2,…, kn}, причем каждый подкласс является в свою очередь подмножеством своих показателей, так что "kn [k К*].

Таблица 8

Классификация железнодорожных узлов

Расчет значения критерия оценки узла для рассматриваемых вариантов при n1=0,33,n2=0,33, n3=0,34 сведены в табл. 9.

Таблица 9

Значения критерия оценки узла

В результате получено, что узлы «Л», «З» и «Б»относятся ко 2 классу, узлы «Х», «К» и «С»-к 3 классу, узлы «М», «Р» и«Т» – 4 класса, а узлы «Н», «Г», «П» и«Ч» – 5 класса.

Возникает справедливый вопрос о достаточности количества исследуемых структур железнодорожных узлов.Характер распределения случайных величин в потоке можно определить при наличии достаточного объема статистических наблюдений. Достоверность характеристикзависит от количества наблюдений. Количество интервалов группирования наблюдений Iгр, а также размер (ширина) интервала d в зависимости от размеров выборки можно определить по формуле Г. Стреджерса [8]: откуда следуетгде Хmax, Хmin – размах вариации (наибольшее и наименьшее значение случайной величины);n – количество статистических наблюдений;Iгр– количество интервалов группирования наблюдений.

Решим уравнение относительно nдля определения количества вариантов исследуемых узлов при отнесении к возможным пяти классам. ЕслиХмах=5, Хмin=0 и шаг d=1, получим, что объем выборки должен быть не менееn=101,24146=17 вариантов схем узлов. Общее количество статистических данных вариантов схем узлов для отнесения к пяти классам составит 85 вариантов.

В настоящее время исследования вопросов классификации железнодорожных узлов продолжаются в рамках диссертационной работы, формируется электронная база данных схем основных узлов и их показателей с последующим созданием автоматизированного научно-методического комплекса оценки структур железнодорожных узлов.

Заключение

Транспортно-технологические схемы железнодорожных узлов являются сложными, многофакторными и малоисследованными. Предложенная научная методика оценки показателей железнодорожных узлов позволит не только классифицировать разнородные узловые структуры, но выявлять «узкие» места и решать вопросы о насыщении узловой инфраструктуры транспортными связями с возможным увеличением пропускаемых поездопотоков, определять условия рационального развития узлов с обоснованием вопроса его достаточности.

Рецензенты:

Чернов А.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Прикладной математики и вычислительной техники» Ростовского государственного строительного университета, г. Ростов-на-Дону;

Зубков В.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Управление эксплуатационной работой» ФГБОУ ВПО «Ростовского государственного университета путей сообщения», г. Ростов-на-Дону.