Оптимизация железнодорожных перевозок в порту с помощью имитационного моделирования
Оптимизация железнодорожных перевозок в порту с помощью имитационного моделирования
Проблема
Порт Лонг-Бич, Калифорния — второй по загруженности контейнерный порт в США — планировал инвестировать около миллиарда долларов в модернизацию железнодорожного узла у пирса Б. Порт обратился к консалтинговой компании TranSystems, которая обладает более чем 25-летним опытом в области перевозок и цепочек поставок, чтобы получить количественную оценку вместимости железнодорожной сети и достичь консенсуса заинтересованных сторон.
Порт предлагал перестроить, расширить и усовершенствовать существующий железнодорожный узел, чтобы повысить эффективность железнодорожных путей, связывающих терминалы. Кроме того, использование припортовой железной дороги является наиболее эффективным способом перемещения контейнеров, которые отправляются на дальние расстояния. Чтобы обеспечить запланированные объемы перевозок, важно было рационализировать использование припортовой железнодорожной сети. Это также позволило бы уменьшить пробки на дорогах и повысить качество воздуха в припортовых районах.
Имитационная модель железнодорожной сети порта должна была продемонстрировать заинтересованным сторонам необходимость изменений. Однако предыдущие попытки создать такую модель потерпели неудачу, поскольку инструменты не позволяли смоделировать систему надлежащим образом. Требовалось отразить значимые аспекты функционирования железнодорожной сети и продемонстрировать, как модернизация железнодорожного узла улучшит операционную деятельность и обеспечит необходимую пропускную способность.
Помимо требования отразить текущую динамику системы, нужно было значительно сократить количество конфигураций железнодорожного узла, разработанных инженерами.
Чтобы удовлетворить эти требования, TranSystems выбрала AnyLogic благодаря его возможностям:
- Учесть реальные операционные ограничения и расположение поездов в порту.
- Визуализировать движение поездов в связке с операционной деятельностью железнодорожной сети.
Решение
Прежде чем приступить к моделированию, TranSystems несколько раз посетили порт и опросили всех операторов терминалов и поездов. Кроме этого, они ознакомились с процессами в порту, и его деятельностью на региональном уровне.
В результате они получили понимание, какие виды деятельности и особенности необходимо учесть в имитационной модели. Этот список включает следующие пункты:
Визуализация системного уровня модели
- обеспечение баланса количества вагонов для импорта и экспорта;
- работа с несколькими железнодорожными перевозчиками и терминалами;
- процессы, связанные с хранением и перемещением контейнеров;
- нормы работы профсоюзных организаций;
- другие процессы: проверка и ремонт, оборудования, пробы сжатого воздуха, сжигание топлива, пересменки экипажей.
Процесс создания модели был разделен на три этапа:
Этап 1: сравнительный анализ альтернативных конфигураций, определение основных параметров железнодорожного узла (размер, тип) исходя из целей проекта.
Этап 2: создание концептуального плана, который учитывает ограничения, правила функционирования и компромиссы, необходимые для достижения требуемой пропускной способности.
Этап 3: анимация модели для презентации заинтересованным сторонам.
Наконец, чтобы достоверно отразить картину реального мира, был проведен системный анализ взаимодействия нескольких терминалов и операторов.
Возможности AnyLogic позволили соединить большое количество параметров и процессов в одной модели. Для каждого отдельного элемента системы был использован соответствующий подход к моделированию (агентный, дискретно-событийный, системная динамика).
Показатель успеха: операционная устойчивость
Для моделирования процессов, характерных для порта, использовались Железнодорожная библиотека и Библиотека моделирования потоков. За счёт гибкости программного обеспечения TranSystems создала собственные библиотеки, что ускорит выполнение подобных проектов по моделированию портов.
Результат
Показателем успеха была операционная устойчивость железнодорожной сети. Для этого потребовалось проверить способна ли сеть доставлять разное количество контейнеров, избегая при этом накладок.
Результаты позволили проекту продвинуться дальше. После демонстрации нескольких успешных вариантов, заинтересованные стороны одобрили одну из конфигураций железнодорожного узла.
Кроме того, когда проект вошел в стадию экологической экспертизы, имитационная модель была успешно применена для создания отчетов по качеству воздуха.
Вы можете посмотреть выступление на конференции AnyLogic 2016, либо скачать презентацию.
Оценка перспективной пропускной способности участков железнодорожной сети с учетом предоставления «окон», на основе применения имитационного моделирования процессов перевозок
Рубрика: Технические науки
Дата публикации: 16.01.2014 2014-01-16
Статья просмотрена: 679 раз
Библиографическое описание:
Тимченко, В. С. Оценка перспективной пропускной способности участков железнодорожной сети с учетом предоставления «окон», на основе применения имитационного моделирования процессов перевозок / В. С. Тимченко. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2014. — № 2 (61). — С. 199-204. — URL: https://moluch.ru/archive/61/8986/ (дата обращения: 30.11.2021).
Международный финансовый кризис вызвал переориентацию значительной части грузопотока в экспортном направлении, что привело к перераспределению поездопотока между участками железнодорожной сети, вызвав снижение загрузки одних и сверхнормативную загрузку других железнодорожных направлений. С 2007 по 2012 годы объем перевозок в адрес морских портов увеличился на 37 %.
Рис. 1. Объем перевалки грузов в морских портах РФ, млн. т.
Возникли проблемы с освоением возросших грузопотоков и выполнением сроков доставки грузов и порожних вагонов. При этом увеличилось количество поездов, отставляемых от движения. Все это вызывает снижение качества работы железнодорожного транспорта.
На (рис.2) красным цветом показаны участки, ограничивающие пропускную способность (максимальное число поездов, которое может быть пропущено в единицу времени) железнодорожной сети [1].
Рис. 2. Участки, ограничивающие пропускную способность железнодорожной сети
В настоящее время протяженность «узких мест» составляет 8,3 тыс. км, или около 30 % протяженности основных направлений сети железных дорог РФ, обеспечивающих около 80 % всей грузовой работы [2].
В связи с этим существует необходимость проведения дорогостоящих строительных и реконструктивных мероприятий.
С целью рационального использования ограниченных инвестиционных средств предлагается метод определения «узких мест» при существующих и перспективных грузопотоках на основе имитационного моделирования процессов перевозок [3].
Реконструкция и ремонты инфраструктуры требуют длительных перерывов движения поездов, называемых «окнами», что снижает пропускную способность.
Действующая инструкция по расчету наличной пропускной способности железных дорог утвержденная ОАО «РЖД» 10 ноября 2010 года учитывает перерывы в движении не более 2,5 часов. Для определения перспективной пропускной способности железнодорожного участка в периоды предоставления более длительных «окон» необходимо учитывать множество сложным образом взаимодействующих факторов, обусловленных количеством, длительностью и расположением «окон» для выполнения реконструктивных и ремонтных работ.
Опыт показывает, что решение данной задачи может быть выполнено только с помощью программного комплекса имитационного моделирования процессов перевозок [4], который был создан и развивается коллективом ученых и программистов под научным руководством доктора технических наук, профессора Кокурина Иосифа Михайловича.
Имитационная модель — это формальное описание логики функционирования исследуемой системы и взаимодействия ее отдельных элементов, учитывающее наиболее существенные причинно-следственные связи.
В состав программного комплекса имитационного моделирования входят: редактор базы данных, геоинформационный модуль сети железных дорог, база данных, модуль планирования ремонтных работ и модуль имитационного моделирования. Схема взаимодействия элементов программного комплекса имитационного моделирования представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема взаимодействия элементов программного комплекса имитационного моделирования
Геоинформационный модуль содержит информацию о расположении станций на сети железных дорог, а также об их путевом развитие на текущий момент. Он применяется для автоматической прокладки маршрутов от пункта отправления в пункт назначения.
Для проведения имитационного моделирования вводятся исходные данные, которые включают: путевое развитие станций, шаблоны различных категорий поездов и параметры работы диспетчера модели.
В процессе ввода данных и имитации ведется протокол, просмотр которого позволяет оценить адекватность работы модели.
Рассмотренный программный комплекс используется для оценки пропускной способности железных дорог в условиях предоставления «окон» для проведения ремонтных и реконструктивных работ.
Следует отметить, что существующие аналитические и графоаналитические методы, применимые при длительности «окна» не более 2,5 часов, определяют пропускную способность в одинаковых расчетных грузовых поездах. Однако фактические параметры поездов существенно различаются, что приводит к завышению расчетных значений пропускной способности [5].
Метод имитационного моделирования позволяет оценивать пропускную способность с учетом варианта организации движения, категорий грузовых поездов, количества и полезной длины приемоотправочных путей, неравномерности движения, возможностей привязки локомотивов и локомотивных бригад к поездам, ограничений системы энергоснабжения при электротяге, наличия предупреждений об изменениях установленной скорости, а также выделения «окон» для ремонта инфраструктуры.
В результате имитационного моделирования строятся графики исполненного движения поездов, по которым определяется ежесуточная пропускная способности в зависимости от задаваемых условий процесса моделирования (рис. 4).
Рис. 4. График исполненного движения поездов
Результаты моделирования показывают, что пропускная способность участка зависит от очередности пропуска грузовых поездов различных категорий (рис. 5). Это связано с тем, что промежутки между твердыми нитками пассажирских и пригородных поездов заполняются грузовыми поездами, имеющими различную массу и длину, обращающимися на рассматриваемом участке, выбираемыми случайным образом, так как неизвестно, поезд какой категории будет готов к отправлению с технической станции по данной нитке графика.
Рис. 5. Зависимость пропускной способности железнодорожного участка от очередности пропуска грузовых поездов различных категорий в четном и нечетном направлениях
Имитационная модель определяет ежегодный суммарный вес брутто поездов всех категорий, которые пропускаются за рассматриваемый период по обследуемой линии. По этим данным модуль планирования ремонтных работ в соответствии классификацией железнодорожных путей, а также сроками предыдущих ремонтов, технологией и нормами времени на выполнение различных видов ремонтов, определяет участки, количество и длительности предоставляемых «окон» (разрабатывает график предоставления «окон» для проведения ремонтных и реконструкционных работ).
На графике (рис. 6) представлены нормы времени на выполнение последовательности работ, выполняемых при модернизации, в соответствии с которым ремонт участка длиной 5 км осуществляется 1 бригадой в течение 21 дня.
Рис. 6. Нормы времени на выполнение последовательности работ, выполняемые при модернизации железнодорожного участка
На основе этой информации имитационная модель процессов перевозок определяет наличную пропускную способность с учетом планируемых «окон», и сравнивает ее с потребной (рис. 7).
Рис. 7. Сравнение потребной и наличной пропускных способностей железнодорожного участка в зависимости от длительности занятия путей сортировочной станции
Если наличная пропускная способность меньше потребной, модель рассчитывает количество поездов, которое должно быть перенаправлено на параллельные линии для обеспечения заданных размеров движения при рассматриваемом варианте развития инфраструктуры в течение ежегодных периодов проведения ремонтных работ.
Модель определяет число задержанных поездов и их длительности, в зависимости от длительности «окна», а также оценивает стоимости потерь от простоев и дополнительных пробегов поездов. Стоимость этих потерь суммируется со стоимостями ремонтных работ при различной продолжительности «окон». Оптимальной продолжительности «окна» соответствует наименьшая из указанных сумм.
Количественное сравнение вариантов затрат на ремонтные работы служит информационной поддержкой при ежегодном планировании «окон».
Таким образом, важным результатом создания метода имитационного моделирования, является возможность оценки пропускной способности железнодорожных участков, обеспечивающей освоение прогнозируемых объемов перевозок, с учетом предоставления ежегодных «окон» для проведения ремонтных и реконструктивных работ на рассматриваемый период.
Практическим результатом является применение предлагаемого метода по заказу ОАО «РЖД» для оценки пропускной способности железнодорожного направления Мга — Лужская, которое обслуживает морской торговый порт Усть-Луга, в условиях реконструкции с предоставлением большого количества «окон» в период до 2020 года.
1. Грузооборот морских портов России за 2012 г.// [Ассоциация морских торговых портов] / 14 января 2013. URL: (дата обращения: 04.09.2013) http://www.morport.com/rus/publications/document1339.shtml.
2. Якунин В. И. ОАО «РЖД». Инфраструктура промышленного роста// Федеральный справочник. Инфраструктура России. Том № 2, 2013. 123–128 с. [Федеральный справочник]. URL: http://federalbook.ru/files/Infrastruktura/ Soderjaniye/Tom- 2/II/Yakunin.pdf.
3. Кокурин И. М., Тимченко В. С. Методы определения «узких мест», ограничивающих пропускную способность железнодорожных направлений // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2013. Выпуск 1 (34). С. 15–22.
4. Тимченко В. С. Алгоритмизация процессов оценки пропускной способности железнодорожных участков в условиях предоставления окон // Транспорт Российской Федерации. Журнал о науке, экономике, практике. № 5 (48) 2013. С. 34–37.
5. Кокурин И. М. Оценка пропускной способности железнодорожных линий методом имитационного моделирования. — Актуальные проблемы управления перевозочным процессом. Сборник трудов Вып.8 / Под ред. д-ра техн. наук Ю. И. Ефименко — СПБ ПГУПС, 2009, с. 18–28.
Источники:
http://www.anylogic.ru/solving-problems-in-transportation-with-simulation-port-of-long-beach-pier-b-rail-support/
http://moluch.ru/archive/61/8986/
