На правах рукописи

КОМОВКИНА НАТАЛИЯ СЕРГЕЕВНА

ОБОСНОВАНИЕ РАЗМЕЩЕНИЯ В ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ УЗЛАХ

СТАНЦИЙ, ОБСЛУЖИВАЮЩИХ КРУПНЫЕ МОРСКИЕ ПОРТЫ

Специальность 05.22.08 – Управление процессами перевозок

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2013 Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ПГУПС) на кафедре «Железнодорожные станции и узлы».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Рыбин Петр Кириллович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Станции и грузовая работа»

ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения»

Числов Олег Николаевич кандидат технических наук, профессор кафедры «Железнодорожные станции и узлы»

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»

Шаульский Борис Федорович

Ведущая организация – ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится « 19 » декабря 2013 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.008.02 на базе ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» по адресу:

190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д.9, ауд. 7-320.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ПГУПС.

Автореферат диссертации разослан « 19 » ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Горбачев Алексей Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из приоритетных задач процесса развития международных и внутрироссийских мультимодальных перевозок является совершенствование железнодорожного обслуживания крупных российских морских портов с целью обеспечения наиболее выгодных условий взаимодействия железнодорожного и морского транспорта. В настоящее время большинство железнодорожных станций, обслуживающих российские и зарубежные морские порты, оказались расположенными в зоне плотной городской промышленной и жилой застройки. Это препятствует увеличению путевого развития станций и освоению постоянно возрастающих объемов грузопотоков, перерабатываемых в морских портах. В сложившихся условиях может возникать необходимость выноса существующей узловой или предпортовой сортировочной станции (УСС или ППСС соответственно) за пределы железнодорожного узла и городской застройки, что одновременно позволит решить проблемы развития этих станций, а также обеспечит снижение отрицательного воздействия станций на окружающую среду городов и здоровье людей. Решение этой задачи зависит в основном от выбора наиболее эффективного взаимного размещения припортовых железнодорожных объектов: УСС или ППСС, а также портовых станций (ПС) и районных парков (РП). При этом железнодорожная инфраструктура должна обеспечить освоение потребных размеров движения поездов в условиях роста грузооборота морского порта. Изложенное свидетельствует о том, что вопрос обоснования размещения припортовых железнодорожных объектов в узлах относительно крупных морских портов имеет актуальное значение.

Степень разработанности темы исследования. Основные исследования, посвященные вопросам взаимодействия железнодорожного и морского транспорта, лежащие в основе современной теории проектирования железнодорожных и транспортных узлов, технологии их работы, заложены в трудах отечественных ученых: Е.В. Архангельского, П.В. Бартенева, Б.А. Длугача, С.В. Земблинова, С.Д. Карейши, В.Н. Образцова, В.П. Парфенова, М.В. Сеньковского, Ф.И.

Шаульского. В дальнейшем изучение этих вопросов продолжили: В.Я. Болотный, Л.Д. Ветренко, Р.В. Дерябин, Н.И. Костенко, С.И. Логинов, В.А. Персианов, В.В. Повороженко, Н.В. Правдин, П.К. Рыбин, И.Е. Савченко, К.Ю. Скалов, Г.Н. Смирнов, О.Н. Числов, Б.Ф. Шаульский и др.

Существенный вклад в изучение указанных вопросов внесли также зарубежные ученые: Г. Биддл, А. Джексон, Дж.Э. Коннор, И. Пачил, Л. Френдриш, К.Дж. Холланд, К. Холь и др.

Целью настоящей диссертации является разработка метода обоснования места наиболее выгодного размещения железнодорожных станций, обслуживающих крупные морские порты в узле или на подходе к нему. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

проанализировать варианты возможного размещения припортовых железнодорожных станций в узле с учетом их влияния на формирование схемы железнодорожного обслуживания морских портов;

определить основные факторы, влияющие на место размещения и потребное путевое развитие припортовых станций в условиях колебаний объемов железнодорожных перевозок;

обосновать необходимость строительства промежуточных раздельных пунктов на участках между УСС (ППСС) и ПС в узле для организации движения поездов по «твердому» графику;

дать оценку влияния задержек в узле поездов, следующих в крупный морской порт, по неприему их портом, на потребное путевое развитие раздельных пунктов;

разработать метод обоснования размещения в узлах железнодорожных станций, обслуживающих крупные морские порты.

Объектом исследования являются припортовые железнодорожные станции, а предметом исследования – размещение этих станций в узле.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач использованы методы теории вероятности и математической статистики, имитационное моделирование, нелинейный симплекс-метод Дж. А. Нелдера и Р. Мида.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

установлены закономерности распределения величин интервалов поступления поездов на припортовые станции и отправления с них, времени следования поездов между УСС и ПС, занятия парковых путей припортовых станций;

определены вероятные задержки поездов и потребность в дополнительном путевом развитии парков припортовых станций и промежуточных раздельных пунктов для задержанных поездов в случае неприема их портом;

создан алгоритм и метод выбора места размещения в узле железнодорожных станций, взаимодействующих с крупным морским портом.

Указанные научные результаты вынесены на защиту.

Практическая значимость. Предложенный в диссертационном исследовании метод и разработанная имитационная модель могут использоваться проектными и научными организациями при обосновании размещения железнодорожных станций в узлах, обслуживающих крупные морские порты.

Реализация результатов исследования. Разработанный метод обоснования размещения припортовых станций в железнодорожных узлах, обслуживающих крупные морские порты, а также разработанная имитационная модель приняты ОАО «Ленгипротранс» к использованию при выполнении проектов развития существующих узлов, обслуживающих крупные морские порты. Основные результаты работы использованы в учебном процессе ПГУПС при подготовке инженеров по специальностям «Организация перевозок и управление на транспорте (железнодорожном)», «Коммерция (торговое дело)», «Эксплуатация железных дорог», при выполнении научно-исследовательской работы «Единый комплексный технологический процесс Усть–Лужского транспортного узла».

Апробация результатов диссертационного исследования. Материалы исследования докладывались и получили положительную оценку на всероссийской научно-практической конференции «Транспорт – 2010» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2010 г.); международном семинаре «GreenLogistics: будущее логистики» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 2011 г.); международной научно-практической конференции «Молодая наука: проблемы, решения и перспективы» (Волгоград, 2011 г.); научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных ПГУПС «Шаг в будущее», «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы»

(Санкт-Петербург, ПГУПС, 2010 – 2013 гг.), а также заседаниях кафедры «Железнодорожные станции и узлы» ПГУПСа (2010-2013 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 9 публикациях, в том числе 3 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

На разработанную в диссертации имитационную модель получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников (107 наименований) и 3 приложений к главам. Основное содержание работы

изложено на 126 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц и 45 рисунков.

Приложения представлены на 21 странице.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи, определена научная новизна диссертации, указаны методы исследования.

В первой главе приведен краткий анализ научной, технической и нормативной литературы, касающейся вопросов взаимодействия железнодорожного и морского транспорта, а также схем железнодорожного обслуживания крупных морских портов Российской Федерации (РФ), стран Европы и США. У рассмотренных морских портов РФ выявлены следующие особенности, характеризующие условия их взаимодействия с железнодорожными станциями:

тенденция к специализации терминалов и погрузочно-выгрузочных фронтов (ПВФ) портов по видам грузов;

выполнение маневровой работы по детальной подборке подач в адрес ПВФ портов на ПС, преимущественно расположенных на территории портов;

размещение в узлах припортовых станций, являющихся основой схемы железнодорожного обслуживания морских портов, в большинстве случаев имеет существенные отличия от рекомендаций в действующих нормативных документах, технической и научной литературе.

Для рассмотренных морских портов стран Европы и США, при взаимодействии с железнодорожным транспортом, характерно следующее:

обязательная специализация терминалов и ПВФ портов по видам грузов и наличие закрепленного за каждым терминалом и ПВФ обслуживающего только его железнодорожного объекта (ПС; РП);

концентрация сортировочной работы по формированию составов назначением на ПВФ на ППСС или УСС, расположенных в большинстве случаев за пределами территории порта и города, в связи с чем наблюдается увеличение путевого развития этих станций и при этом сокращение количества путей ПС и РП, расположенных на территории порта и города.

Определено, что при грузообороте портов РФ, Европы и США, не превышающем 50 млн.т в год, преобладает линейный вариант расположения в узлах припортовых железнодорожных объектов, а для портов с грузооборотами свыше 50 млн. т в год, линейная схема со временем модифицируется в кольцевую или полукольцевую.

Установленные тенденции, особенности и проблемы в области формирования и развития схемы железнодорожного обслуживания морских портов указывают на необходимость продолжения исследований в области изучения закономерностей продвижения и нахождения вагонопотоков на припортовых станциях, с целью уточнения методики и рекомендаций по проектированию инфраструктуры ближних подходов к порту.

Во второй главе представлен анализ факторов, влияющих на выбор места размещения в узле припортовых станций. Основным фактором является грузооборот, определяющий объем выполняемых морским портом работ. От него зависит потребное путевое развитие обслуживающих порт железнодорожных объектов, необходимость его усиления (при возможности) или строительства новых объектов, а также пробеги и простои подвижного состава.

Кроме объема выполняемых морским портом работ, существенное влияние на выбор места размещения в узле припортовых станций, оказывают три группы факторов: строительные, экологические и технологические.

Для сооружения новой припортовой станции требуется значительная по площади территория земли, поэтому на выбор места размещения станции в узле значительное влияние оказывает стоимость земли, особенно в случае выкупа необходимого участка у собственника. Стоимость земли зависит от удаленности участка от территории порта и города (рисунок 1). Земельные участки, Рисунок 1 – Зависимость стоимости 1м2 земли от удаленности от морского порта для участков, расположенных вдоль ж.д. линии «морской порт СПб - Волховстрой»

расположенные на территории городов, стоят в десятки, а порой и в сотни раз дороже земель, расположенных за пределами черты города.

Исследование влияния экологических факторов на выбор места размещения в узле припортовой станции показало, что величина возмещения государству потерь, связанных с изменением характера использования земельных угодий при строительстве новых припортовых железнодорожных объектов за пределами территорий городов, зависит от стоимости земли. Плата за транспортное загрязнение от выбросов экологически опасных веществ от передвижных источников в атмосферу, при использовании тепловозной тяги; затраты на посадку защитных лесных насаждений вдоль железнодорожных линий для снижения загрязнения атмосферного воздуха, грунтовых и подземных вод, земель прилегающих к линиям территорий; затраты на установку шумозащитных экранов с целью снижения воздействия на здоровье людей и окружающую среду шума от подвижного состава и защиту населенных пунктов от промышленных газов и пыли зависят от расстояния удаления объекта от порта и линейно увеличиваются в зависимости от протяженности линии, соединяющей припортовую станцию и морской порт.

С целью изучения влияния технологических факторов на потребное путевое развитие существующих железнодорожных припортовых объектов и выбор места размещения в узле новых, в течение I и II кварталов 2012 года выполнен анализ продвижения вагонопотоков по существующим железнодорожным узлам, обслуживающих морские порты РФ. Собраны следующие статистические данные: время занятия путей припортовых станций; время движения поездов между припортовыми станциями; интервалы отправления с УСС и прибытия на ПС общего, немаршрутизированного и маршрутизированного вагонопотоков. Примеры гистограмм, полученных по результатам проведенного анализа, представлены на рисунке 2 (а, б).

Число наблюдений Рисунок 2 - Гистограмма распределения: а) времени занятия вагонами, назначением на ПС Автово, путей УСС СПб Сортировочный – Московский; б) интервалов отправления поездов с УСС Шушары на ПС Новый Порт В результате анализа полученных статистических рядов установлено, что для описания времени занятия путей припортовых станций (УСС и ПС) и продолжительности движения поездов между припортовыми станциями, целесообразно использовать -распределение. При описании интервалов отправления с УСС и поступления на ПС немаршрутизированного, маршрутизированного и обобщенного вагонопотоков, целесообразно применять распределение и обобщенное -распределение.

Анализ продвижения вагонопотоков по существующим узлам показал также, что при проходе поездом расстояний свыше 100 км, среднее время следования поездов стремится к значению времени хода, установленного в нормативном графике движения поездов (ГДП). Станции формирования (СФ) поездов маршрутизированного вагонопотока преимущественно находятся на значительном удалении от порта. Время продвижения в узле таких поездов зависит в основном только от времени их следования от СФ до РП или ПВФ порта, так как поезда маршрутизированного вагонопотока часто пропускают в обход УСС (ППСС), а иногда и ПС. Это позволяет более точно планировать время их прибытия в порт. Поэтому при организации движения маршрутизированного вагонопотока в порт следует по возможности применять «твердые» ГДП.

В третьей главе разрабатывается имитационная модель (ИМ) продвижения в узле поездов с вагонами в адрес порта, необходимость разработки которой в диссертации обусловлена тем, что аналитическими методами определить время следования поездов от УСС (ППСС) до ПС, а также задержки их из-за неприема портом не представляется возможным из-за влияния как случайных, так и неслучайных факторов. Имитационная модель разработана на основе вычислительной системы Compaq Visual Fortran 6.1. В ИМ предусмотрено движение пассажирских поездов, а также всех или части грузовых поездов маршрутизированного вагонопотока по расписанию («твердым»

ГДП). Перед началом моделирования расписания задаются в текстовом редакторе WordPad в виде двух векторных таблиц (отдельно для пассажирских поездов и маршрутов). На основе этого расписания в ИМ создаются массивы времени «свободности» и «занятости» каждого перегона, приемоотправочных путей конечных станций (к примеру, УСС и ПС) и промежуточных раздельных пунктов за сутки. Под массивом «занятости» понимается нахождение в это время в системе поезда, следующего по расписанию. При запуске массива «свободности» программа генерирует движение остальных грузовых поездов, в соответствии с -распределением интервалов отправления с УСС и прибытия на промежуточные раздельные пункты и ПС.

На рисунке 3 представлены расчетные схемы для проверки возможности отправления с УСС или промежуточной станции на перегон грузового поезда при автоблокировке (АБ) и полуавтоматической блокировке (ПАБ).

Рисунок 3 – Расчетные схемы для проверки возможности отправления с УСС или промежуточной станции на перегон грузового поезда при: а) автоблокировке; б) полуавтоматической Интервал попутного отправления пассажирских поездов на перегон для пропуска между ними грузового поезда будет равен:

где по – интервал попутного отправления грузового поезда за пассажирским, мин; пп – интервал попутного прибытия пассажирского поезда за грузовым, мин; t х ; t х – время хода по перегону соответственно грузового и пассажирского поездов, мин; пп – интервал попутного следования поездов при ПАБ, мин.

Разработанная ИМ позволяет в зависимости от размеров движения, структуры вагонопотока и наличного путевого развития железнодорожных объектов, обслуживающих порт (УСС, ПС, РП), установить:

1) при развитии инфраструктуры существующих узлов:

соответствие имеющегося путевого развития припортовых железнодорожных станций размерам движения поездов на участке, структуре вагонопотока и взаимному расположению станций;

потребность в устройстве на перегонах между припортовыми станциями дополнительных промежуточных раздельных пунктов (промежуточных станций или обгонных пунктов);

продолжительность задержек поездов, имеющих в составе вагоны, назначением в порт (tNh), в парках отправления УСС или ПС, на промежуточных раздельных пунктах, из-за неприема их портом и простоя под обгоном, пассажирскими или более срочными грузовыми поездами.

2) при проектировании новых узлов:

необходимость устройства промежуточных раздельных пунктов для осуществления скрещения, обгона и/или отстоя на них поездов, следующих в морской порт, и место их размещения на участках «УСС (ППСС) – ПС»; «ПС – РП» или «РП – ПВФ порта» а также количество дополнительных путей на них, требуемых для обеспечения обгона грузовых поездов пассажирскими;

расстояния между припортовыми объектами, при которых отсутствует потребность в устройстве промежуточных раздельных пунктов или в укладке на них дополнительных путей;

продолжительность задержек поездов, имеющих в составе вагоны, назначением в порт (tNh), в парке отправления УСС или ПС, на промежуточных раздельных пунктах из-за неприема их портом и простоя под обгоном.

Четвертая глава посвящена разработке предлагаемого метод выбора варианта размещения припортовых станций в крупных узлах.

В соответствии с Методическими рекомендациями по оценке инвестиционных проектов на железнодорожном транспорте в качестве критерия эффективности принят минимум приведенных строительно-эксплуатационных затрат. Горизонт расчета T принят равным 20 годам.

Капиталовложения на строительство новых УСС (ППСС) в основном будут отличаться по главе «Подготовка территории строительства», в которую входят стоимость отвода земельных участков, снос существующих и сооружение взамен снесенных новых зданий, сооружений и коммуникаций.

Кроме того, отличаться будут затраты на земляное полотно и искусственные сооружения. Однако решающее значение при выборе предварительного места размещения станций будет иметь стоимость земель, выделяемых под строительство за пределами полосы отвода, которая будет зависеть от расстояний удаления lуд1, lуд2, …, lудn новых станций от порта. Поскольку задача выбора месторасположения в узлах новой УСС (ППСС) и промежуточных раздельных пунктов является многовариантной и, кроме того, стоимостная оценка земель меняется в зависимости от расстояния удаления нелинейно, в диссертации использован метод Дж.А. Нелдера и Р. Мида, получивший название нелинейный симплекс-метод для минимизации функций нескольких переменных. Этот метод впервые был использован, применительно к железнодорожным станциям и узлам, В.В. Романовым.

Все возможные варианты размещения припортовых станций в узле характеризуются их расстояниями удаления от порта (lуд1, lуд2, …, lудn) и представляют собой совокупность точек в n-мерном арифметическом пространстве. Их совокупность, X1,X2,…,Xn+1, в n-мерном пространстве называется симплексом, если векторы X1 Xn+1,X2 Xn+1,…, Xn Xn+1 линейно независимы. Минимум приведенных затрат будет обеспечивать Хopt, т.е. Эпр(Хopt) = minЭпр(Х), где Х = Х(lуд1, lуд2, …, lудn) – точка в n-мерном арифметическом пространстве. Метод Дж.А. Нелдера и Р. Мида заключается в последовательной модификации симплексов, начиная с исходного, который задается пользователем, назначающим начальные значения расстояний удалений проектируемых станций от порта, lуд.iн, и шаги увеличения этих расстояний.

Для исходного симплекса определяются две точки – «лучшая» Хb, в которой значение Эпр(X) минимально: Эпр(Хb)=minЭпр(Х); и «худшая» Xw, в которой Эпр(X) максимально: Эпр(Хw)=maxЭпр(Х). Кроме того определяется центр симплекса:

Затем начинается многошаговый процесс, на каждом этапе которого «худшая» точка Xw заменяется на другую, в которой Эпр(X) меньше, начиная с так называемой симметричной точки:

где – это коэффициент отражения «симметричной» точки.

Точка Xs лежит на прямой, соединяющей точки Xс и Xw, причем точки Xs и Xw лежат по разные стороны от Xс. Дальнейшие действия могут развиваться по трем сценариям, которые зависят от соотношения значения Эпр(Xs) к Эпр(Xb) и Эпр(Хw):

Если Эпр(Xs) < Эпр(Xb), то целесообразно перейти в том же направлении к еще более удаленной точке:

где – так называемый коэффициент растяжения.

После этого определяется, какая из двух точек, Xs или Xext, обеспечивает меньшее значение функции Эпр(Х). Лучшей из этих точек заменяется Xw, чем завершается очередной этап и получается новый симплекс.

2) Если Эпр(Хb) < Эпр(Хs) < Эпр(Хw), то дальнейшее продвижение от точки Xw за точку Xs невыгодно, и этап завершается заменой точки Xw на точку Xs.

3) Если же Эпр(Хs) > Эпр(Хw), то точка Xs считается не перспективной с точки зрения условий поставленной задачи и выбирается другая точка внутри отрезка [Xw Xс] с координатами:

где – это так называемый коэффициент удаления (0 < < 1).

При Эпр(Хm) < Эпр(Хw) точка Xw заменяется в симплексе на Xm, после чего этап завершается. Если же Эпр(Хm) > Эпр(Хw), производится «сжатие»

симплекса, при котором все точки симплекса, кроме Хb, сдвигаются в сторону последней на половину расстояния до нее, а сама точка Хb остается на месте. Координаты новых точек вычисляются по формуле:

После выполнения каждого этапа осуществляется проверка по так называемому критерию «остановки» итерационного процесса, в качестве которого можно принять величину коэффициента вариации полученных значений приведенных расходов по вариантам:

Эпр(X); Эпр ( X ) – соответственно среднеквадратическое отклонение где и среднее значение приведенных расходов минимизируемой функции Эпр(X).

На рисунке 4 представлен алгоритм выбора места размещения УСС (ППСС) в узле.