Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени

ВОЕННАЯ МЫСЛЬ № 10/2010, стр. 34-40

Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени

Подполковник Д. В. КО ЧНЕВ,

кандидат технических наук

АННОТАЦИЯ. Рассматриваются основные подходы по формированию критерия оптимизации эксплуатационных работ магистральных железных дорог в условиях военного времени.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: магистральные железные дороги, структурно-поточная система движения поездов, перевозочный процесс, транспортная система.

SUMMARY. The author analyses the basic approaches to formation of the optimisation criterion of operational activities of trunk-line railways in wartime.

KEYWORDS: trunk-line railways, trains' structural-line traffic diagramme, transportation, transportation process.

ОСУЩЕСТВЛЯЕМЫЕ в нашей стране мероприятия по дальнейшему развитию, реконструкции и перевооружению железнодорожной транспортной системы (ЖТС) позволяют обеспечить достаточный уровень ее технической и технологической надежности для выполнения перевозочного процесса в условиях мирного времени при воздействии внутренних факторов, а также живучести для сохранения и быстрого восстановления способности к осуществлению перевозок в условиях военного времени при воздействии средств поражения противника.

В то же время практика показывает, что в основе проведения этих мероприятий лежит принцип абсолютного исключения отказов технических и транспортных средств, а также ошибок технического персонала ЖТС. Данное обстоятельство противоречит необходимости количественного сравнения технологических процессов и операций перевозочного процесса и приводит к необоснованности крупных капиталовложений, выделяемых на реконструкцию ЖТС в условиях мирного времени и на подготовку, эксплуатацию, техническое прикрытие и восстановление железных дорог при их работе в условиях военного времени. Это обостряет всегда актуальную проблему оптимизации эксплуатационной работы и распределения указанных ресурсов. Наиболее общим теоретическим выражением критерия оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог (ЭР МЖД) является целевая функция заданного (ожидаемого) объема ЭР МЖД Dрсжд(х), охватывающая все области альтернативных вариантов структурно-поточных схем движения поездов в соответствии с планами производственной деятельности (действий) подразделений МЖД (группировок сил и средств). Она должна выражать упорядоченность значений Dрсжд с учетом степени их соответствия целям стратегического и координирующего межведомственного органа управления (СУ). При этом значения Dрсжд возрастают при переходе от менее предпочтительных к более предпочтительным.

Целевая функция Dрсжд (х) должна удовлетворять условиям:

1) сравнимости, т. е.возможности использования для любых вариантов структурно-поточных схем движения поездов, характеризующихся векторами х1, х2, и x3, либо Dрсжд (х1) > Dрсжд (х2), либо Dрсжд(х1)< Dрсжд (х2), либо Dрсжд (х1) = Dрсжд (х2);

2) транзитивности, т. е. если Dрсжд (х1)> Dрсжд (х2) и Dрсжд (х2) > Dрсжд (х3), то Dрсжд (х1) > Dрсжд (х3).

Если эти условия не выполняются, то это означает, что Dрсжд (х) не отражает реально существующих различий между вариантами структурно-поточных схем движения поездов и не может служить основой для принятия решений. Таким образом, Dрсжд (х) рассматривается как категория, выражающая большее или меньшее соответствие альтернативных вариантов структурно-поточных схем движения поездов целям СУ системой обеспечения устойчивости эксплуатационной работы (СО УЭР) МЖД.

В самом общем виде постановка задачи определения оптимального варианта структурно-поточной схемы движения поездов из их совокупности Dрсжд (х) в качестве критерия оптимизации ЭР МЖД имеет следующий вид:

Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени

где R - количество альтернативных вариантов структурно-поточных схем движения поездов, подпадающих под процедуру сравнения.

Из приведенного определения целевой функции вытекает одно важное ее свойство: она определяется неоднозначно. Действительно, любая функция, сохраняющая данную упорядоченность различных вариантов структурно-поточных схем движения поездов, может быть принята в качестве целевой. Если Dрсжд 1 (х1) > Dрсжд 1 (х2) и Dрсжд 2 (х1) > Dрсжд 2 (х2) для любых х1 и х2, то функции Dрсжд 1 (х) и Dрсжд 2 (х), равноправны, так как позволяют определить лучшие варианты структурно-поточных схем движения поездов по степени соответствия целям СУ. Таким образом, объективная упорядоченность этих вариантов позволяет определить целевую функцию лишь с точностью до монотонно возрастающего преобразования. Если Dрсжд (х)- целевая функция, то и любая f[Dрсжд(x)) также может быть принята в качестве целевой функции, если первая производная f[Dрсждl(x))> 0.

Наличие этого свойства вносит некоторый элемент случайности (или субъективности) в определение целевой функции Dрсжд (х). Теоретически это не препятствует постановке задачи на максимум Dрсжд (х) в качестве критерия оптимизации ЭР МЖД. Ведь любой вариант структурно-поточной схемы движения поездов, признанный лучшим при одной его форме, будет лучшим и при другой. Но при практическом подходе эта способность целевой функции может затруднять ее применение. Вместе с тем необходимо отметить, что неоднозначное определение целевой функции лишает смысла сравнение различных вариантов структурно-поточных схем движения поездов при стохастическом подходе.

Таким образом, определение целевой функции с точностью до монотонного преобразования не является удовлетворительным.

Можно сделать более смелое предположение об упорядочении не только вариантов структурно-поточных схем движения поездов, но и их возможных приращений. Тогда можно будет говорить не только о том, что вариант х1 лучше, чем х2, но и насколько лучше. А это будет означать возможность количественно определить целевую функцию, что было бы наиболее удобной формой критерия оптимизации ЭР МЖД. Приходится, однако, признать, что в настоящее время не существует методов, позволяющих построить целевую функцию, с помощью которой можно дать количественную оценку общей эффективности всех методов и мероприятий, в частности обеспечивающих УЭР МЖД, входящих в ее определение. Основным препятствием здесь является качественная разнородность целей подразделений железных дорог и группировок сил и средств, а также самих методов и мероприятий.

Наряду с целевой функцией Dрсжд (х) можно рассмотреть и другие формы критерия оптимизации ЭР МЖД, реализующие ту же идею выполнения заданного (ожидаемого) объема эксплуатационной работы МЖД, в частности, для наиболее полного удовлетворения войск (сил) в транспортном отношении. Одна группа критериев строится в соответствии с требованиями максимизации того или иного показателя. Они поэтому могут рассматриваться как более или менее упрощенные варианты целевой функции Dрсжд (х), в большей или меньшей степени допускающие использование юГв практической деятельности по составлению вариантов структурно-поточных схем движения поездов. Другая группа критериев основывается на отличных от указанной идеях, хотя по своему содержанию они также могут выражать требования СУ.

Рассмотрим прежде всего такой критерий оптимизации, как минимизация суммарных затрат ресурсов на реализацию варианта структурно-поточной схемы движения поездов с учетом проводимых мероприятий, лежащих в основе методов обеспечения УЭР МЖД и направленных на ее повышение. Смысл данного критерия заключается в сравнении необходимых суммарных затрат ресурсов (людских, материальных и денежных) с выделенным бюджетом и выборе базовых наборов мероприятий, суммарные затраты ресурсов на выполнение которых удовлетворяют условию:

Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени

В выражении (3) функция необходимых суммарных затрат на реализацию варианта структурно-поточной схемы движения поездов с учетом проведения мероприятий по повышению устойчивости эксплуатационной работы МЖД определяется как Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени

где λ -вид соответствующих ресурсов (λ = 1, 2, 3, ...k) при условии, что

Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени

Рλ - выделенные ресурсы на реализацию варианта структурно-поточной схемы движения поездов с учетом проведения соответствующих мероприятий по повышению устойчивости эксплуатационной работы МЖД в исполнительный период;

Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени - заданный объем эксплуатационной работы МЖД;

Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени - заданный уровень УЭР МЖД.

Построение модели с целевой функцией, выражающей затраты ресурсов и подлежащей минимизации, наталкивается на ряд трудностей, имеющих принципиальный характер. Прежде всего возникает проблема сведения к общему знаменателю и количественному соизмерению различных видов ресурсов: человеко-дней по общим трудозатратам (по мостовым, путевым, земляным работам); местных людских ресурсов; денежных ресурсов в рублях; протяженности рельсов в километрах; мостовых конструкций в метрах (тыс. т); вагоно-часов, локомотиво-часов поездной и отдельно маневровой работы, бригадо-часов локомотивных бригад; вагоно-километров, поездо-километров, локомотиво-километров. тонно-километров брутто вагонов и локомотивов; тонно-километров механической работы, килограммов условного топлива, киловатт-часов электроэнергии и т. д. В настоящее время неизвестны конструктивные принципы сведения разнокачественных затрат ресурсов к одном} какому-либо виду при обосновании мероприятий повышающих УЭР МЖД. Собственно говоря, функция (3) должна соизмерять эффект от реализации варианта структурно-поточной схемы движения поездов с учетом мероприятий, направленных на повышение УЭР МЖД для СУ и экономию различных конкретных видов ресурсов.

Вторая важнейшая проблема, возникающая при использовании критерия минимизации затрат ресурсов, - определение величин Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени, Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени. Необходимые значения этих величин должны вводиться в модель экзогенно и быть определены вне ее. Данное обстоятельство недопустимо, поскольку в первом случае для условий военного времени характерна ситуация, близкая к полной неопределенности для получения Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени и требуется как априорная, так и полученная в результате машинного эксперимента апостериорная информация. А во втором случае экзогенно заданное значение Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени противоречит необходимости количественных сравнений технологических процессов и операций перевозочногс процесса в условиях военного времени на отдельных объектах МЖД и сети дорог в целом.

Рассмотренные критерии (1) и (3) представлены в статической постановке. Но проблемы обеспечения УЭР МЖД, в том числе проблемы построения критерия оптимизации ЭР МЖД с учетом сформированной СО УЭР МЖД, возможно анализировать и в динамике за определенный период времени (расчетный период - Тр). При этом целевая функция должна рассматриваться как «интегральная», т. е. зависеть от варьируемости в динамике своих параметров в течение всего временного интервала. Кроме того, она сама может меняться с течением времени. Например, целевая функция Dрсжд (х) в динамической постановке записывается так:

Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени

т. е. учитывает выполнение заданного (ожидаемого) объема эксплуатационной работы МЖД в течение расчетного периода.

Такой подход является плодотворным, поскольку позволяет определить динамику количественных и качественных показателей ЭР МЖД.

Кроме того, что теперь необходимо задавать динамику ресурсов на реализацию структурно-поточных схем движения поездов, а также на проведение мероприятий, направленных на повышение УЭР МЖД, возникают еще две важные проблемы. Прежде всего - продолжительность расчетного периода, что является весьма существенным фактором, влияющим на динамику всех варьируемых параметров. Между тем она задается априорно по отношению к задаче оптимизации ЭР МЖД и должна быть обоснована из каких-то других соображений. Кроме того, в этом случае последующая производственная деятельность (действия) подразделений железных дорог (группировок сил и средств) никак не учитывалась бы при решении задачи обоснования вариантов, в частности воинского общесетевого плана формирования поездов и плана технического прикрытия железных дорог. Однако СУ, очевидно, заинтересован не только в сохранении, но и в расширении возможностей для удовлетворения потребностей, в частности, войск (сил) в транспортном отношении и после окончания расчетного периода. В связи с этим возникает необходимость задавать количественные и качественные показатели эксплуатационной работы (например, ее объемы и темпы его увеличения) на конечный момент расчетного периода.

Различные подходы к определению критерия оптимизации по-разному учитывают указанные затруднения. Имеются и попытки обойти их. Например, в качестве критерия можно рассматривать минимизацию времени выполнения заданного (ожидаемого) объема эксплуатационной работы. При такой постановке задачи необходимо задавать конечное состояние, выражаемое вектором х°, или какой-то его характеристикиПроблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени. Далее решается задача оптимального быстродействия, т. е. определяется траектория параметров эксплуатационной работы, приводящая к выполнению заданного объема за минимальное время. Данный подход позволяет обойтись без априорного задания продолжительности расчетного периода. Она получается непосредственно из решения задачи.

Основной проблемой в данном случае является определение конечного состояния, которое должно быть реализовано. Поскольку расчетный период заранее не ограничен, такое «нормативное» состояние х° можно, например, связывать с полным удовлетворением потребностей войск (сил) в транспортном отношении. Тогда задача в динамике может быть сформулирована как задача наибыстрейшего достижения целевых параметров, а критерий оптимизации запишется в виде:

Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени

где Тр - время достижения нормативного конечного состояния х°.

Можно отметить недостатки, присущие данной форме критерия. Его использование основывается на предпосылке о том, что после достижения нормативного состояния дальнейшая производственная деятельность (действия) подразделений железных дорог (группировок сил и средств) не имеет смысла, что, очевидно, не согласуется с представлениями о непрерывности технологии работы объектов МЖД.

Задача в данной постановке становится существенно-конечной. Можно допустить, что при использовании критерия (5) по мере накопления новых знаний и с возникновением новых потребностей нормативное конечное состояние х° будет корректироваться. Тогда постоянно будут реализовываться лишь начальные отрезки траекторий, определяемые каждый раз по критерию (5). При этом ориентированность всех вариантов структурно-поточных схем движения поездов в каждый конкретный момент будет заключаться в скорейшем достижении конечной цели, что с большой вероятностью может приводить к недостаточному удовлетворению потребностей, в частности, войск (сил) в транспортном отношении с учетом различий в продолжительности основных периодов функционирования железных дорог.

Известен и другой принцип определения оптимальной траектории в аналогичной ситуации, в котором рассматривается двухэтапная постановка задачи при установлении маршрутов отклонения поездо- и вагонопотоков от основных маршрутов перевозки. На первом этапе определяется уровень удовлетворения потребностей войск (сил), максимально возможный при известных ресурсах и заданном состоянии научно-технических знаний. Решение первой задачи позволяет установить «стационарный режим», обеспечивающий при данных условиях максимальный объем перевозок. После этого решается задача определения наиболее выгодного пути к данному стационарному режиму, чьи параметры задают конечное состояние. Заметим, что данный подход к постановке задачи отклонения поездо- и вагонопотоков принципиально отличается от рассмотренного выше, так как предполагает определение конечного состояния путем решения соответствующей задачи, входящей в модель. В задаче же с критерием минимизации времени достижения заданного (ожидаемого) объема ЭР МЖД это нормативное состояние принималось из внемодельных соображений. Таким образом, двухэтапная постановка содержит задачу стационарного режима и задачу переходного процесса.

Соответственно в данном случае предлагается различать понятия щелевая функция» и «критерий». Параметры стационарного режима определяются путем максимизации целевой функции, которая выражается через параметры перевозочного процесса и железнодорожной транспортной системы в условиях военного времени. Она строится на основе индивидуализированных целевых функций при помощи весовых коэффициентов, с которыми эти целевые функции входят в ее общее выражение. Критерий в рассматриваемой постановке определяет оптимальную траекторию перехода от наличного состояния перевозочного процесса и железнодорожной транспортной системы к стационарному режиму.

В течение всего переходного процесса значения целевой функции Dрсжд будут отклоняться от стационарного режима. Это отклонение запишется как:

Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени

где - значение Dрсжд стационарного режима, а Dрсжд (t) - значение Dрсжд в году (месяце, сутки) t. Разность определяет величину отклонения, которое претерпевает Dрсжд за год (месяц, сутки) t по сравнению со стационарным режимом. Суммарное отклонение на протяжении всего расчетного периода измеряется интегралом:

Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени

Оптимальной считается такая траектория движения к стационарному режиму, при которой суммарное отклонение в течение расчетного периода будет минимальным, а критерий оптимизации ЭР МЖД записывается как:

Проблемы оптимизации эксплуатационной работы магистральных железных дорог в условиях военного времени

Предложенный критерий так же, как и рассмотренный выше критерий (5), дает возможность обойти трудности, связанные с априорным заданием длительности расчетного периода. Он определяется из самого решения задачи как время выхода на стационарный режим. Точно так же отпадает и необходимость в задании требований к количественным и качественным показателям ЭР МЖД на конечный момент расчетного периода.

Серьезным недостатком обсуждаемого подхода является то, что оптимальная траектория определяется в предположении заданное™ научно-технических знаний и ресурсов в течение всего расчетного периода. Соблюдение этих условий обеспечивает неизменность параметров стационарного режима до его достижения. Учет возможных достижений научно-технического прогресса предполагается осуществлять в момент формирования вариантов структурно-поточных схем движения поездов на основе анализа статистических данных. При этом непредвиденные существенные изменения потребуют пересоставления всех этих вариантов для условий военного времени.

Таким образом, предложены и рассмотрены основные подходы к настоящему времени по формированию критерия оптимизации ЭР МЖД с учетом сформированной СО УЭР МЖД и можно сделать вывод, что наиболее полным теоретическим выражением требований СУ является целевая функция выполнения заданного (ожидаемого) объема эксплуатационной работы МЖД Dрсжд (х). Остальные формы критерия также в той или иной степени соответствуют этой задаче. Но наряду с несомненными достоинствами им присущи и принципиальные недостатки, исключающие возможность их использования в качестве критерия оптимизации. Кроме того, применение этих критериев должно в конечном счете опираться на информацию, которая может быть получена лишь на основе величины заданного (ожидаемого) объема эксплуатационной работы МЖД.

Как уже отмечалось, построение критерия оптимизации ЭР МЖД остается пока неразрешимой задачей, так как предполагает решение таких сложных теоретических и практических проблем, как сопоставление различных методов обеспечения УЭР МЖД и мероприятий по ее повышению по их общей эффективности и синтез частичных целевых функций, соизмеряющих отдельные группы затрат ресурсов подразделений железных дорог (группировок сил и средств) или выражающих их производственную деятельность (действия). Это означает, что наряду с работами по построению критерия необходимо искать и способы приближения его к оптимальным значениям за счет уже имеющихся методологических средств.

С практической точки зрения проведенный критический анализ осуществлен в рамках решения крупной научной проблемы приведения в соответствие возможностей магистральных железных дорог с потребностями Вооруженных Сил и экономики страны в перевозках в условиях военного времени.


Для комментирования необходимо зарегистрироваться на сайте

  • &amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;lt;a href="http://www.instaforex.com/ru/?x=NKX" data-mce-href="http://www.instaforex.com/ru/?x=NKX"&amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;InstaForex&amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;lt;/a&amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;
  • share4you сервис для новичков и профессионалов
  • Animation
  • На развитие сайта

    нам необходимо оплачивать отдельные сервера для хранения такого объема информации