автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему: Параметры железнодорожных комплексов морских паромных переправ
Автореферат диссертации по теме "Параметры железнодорожных комплексов морских паромных переправ"
КОСОБОКОВА ЕЛЕНА НИКОЛАЕВНА
ПАРАМЕТРЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОМПЛЕКСОВ МОРСКИХ ПАРОМНЫХ ПЕРЕПРАВ
Специальность 05.22.08 - Управление процессами перевозок
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения»
Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор
Логинов Сергей Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Кудрявцев Владимир Александрович кандидат технических наук Капитонов Александр Евгеньевич
Ведущая организация - Военно-транспортный университет железнодорожных войск РФ (г. Санкт-Петербург)
Защита состоится « 17 » ноября 2005 г. в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 218.008.02 при Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 7- 320.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан « 17 » октября 2005 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат технических наук, Мокейчев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. На современном этапе развития транспортной системы России все большее значение приобретает такой вид смешанных перевозок как железнодорожные паромные сообщения. Паромные перевозки обеспечивают экономичность и ускорение доставки грузов по сравнению с другими видами морского транспорта: значительно ускоряется обработка судов в портах (по пропускной способности 1 паромный причал эквивалентен 12 сухогрузным причалам), снижается себестоимость перевалки грузов и повышается их сохранность. Паромные перевозки являются особенно эффективными в случаях, когда сухопутный маршрут пролегает через территории третьих стран, за счет исключения транзитных платежей и задержек на пограничных станциях. Паромное сообщение применяют также в тех случаях, когда отсутствует тоннель или мост между материком и островом, и если маршрут движения парома значительно короче сухопутного.
После распада СССР крупные паромные комплексы в Клайпеде и Ильичевске отошли Литве и Украине, Баку и Красноводск (Туркменбаши) - Азербайджану и Туркмении, а переправа Крым-Кавказ перестала функционировать.
В рамках федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России» в ближайшее время планируется организация железнодорожной паромной переправы Усть-Луга - Балтийск - порты Германии, которая должна решить проблему преодоления анклавности Калининградской области, а также обеспечить удобную транспортировку грузов в Европу и обратно. В 2004 году восстановлен паромный комплекс в порту Кавказ и открыты сообщения с Украиной - Крым-Кавказ и с Грузией - Поти-Кавказ. В 2003 году закончилось строительство паромного комплекса в Махачкале и открылась паромная переправа Махачкала-
Особая роль отводится железнодорожным паромным перевозкам в развивающейся системе международных транспортных коридоров (МТК). С учетом заинтересованности ряда зарубежных государств и стран СНГ в установлении с Россией паромного железнодорожного сообщения для транспортировки экспортно-импортных и транзитных грузов в рамках МТК «Север-Юг» и «Запад-Восток» имеются предпосылки организации международных сообщений с Германией, Турцией, Болгарией, Румынией, Ираном. По прогнозам Минтранса доля паромных перевозок к 2010 году составит 12-15 % от общего объема перевозок во всех видах плавания.
Успешную деятельность железнодорожной паромной переправы предопределяет стабильный грузопоток, в составе которого наибольшую долю составляют паромоориентированные грузы, и обеспечение должного уровня взаимовыгодного взаимодействия обеих сторон транспортного процесса.
Строительство паромных комплексов является дорогостоящим мероприятием, поэтому в каждом конкретном случае должно проводиться тщательное технико-экономическое обоснование. И большое значение при этом имеет не только рациональный выбор технического оснащения паромных комплексов, но и совершенствование их работы. Существующие методики расчета мощности железнодорожных устройств по обслуживанию паромных переправ не в полной мере учитывают колебания объемов перевозок грузов, специфику подборки вагонов назначением на паром, технологию загрузки различных типов паромов. Кроме того, в настоящее время имеет большое значение проблема выбора такой стратегии функционирования железнодорожного и морского транспорта, которая обеспечивала бы с одной стороны сокращение времени нахождения вагонов на предпаромной станции, а с другой максимальную загрузку паромов, что обеспечит снижение затрат на перевозку вагонов.
Изложенное подтверждает актуальность вопросов проектирования морских паромных комплексов паромных комплексов и совершенствова-
ния технологии их работы.
Целью исследования является разработка методики обоснования технических и технологических параметров железнодорожных морских паромных переправ. К основным техническим параметрам при этом относятся: число путей в парках предпаромной станции и вытяжных путей, количество маневровых локомотивов, причалов, паромов. Основными технологическими параметрами являются интервал опережения1, время форми-' рования плетей вагонов, общее время нахождения вагонов на станции.
Для достижения указанной выше цели потребовалось решить следующие задачи:
• выполнить обзор истории развития паромных перевозок в России и за рубежом, провести анализ современного состояния железнодорожных паромных комплексов и тенденций развития паромных перевозок, а также существующих методов определения путевого развития станций обслуживания паромных переправ;
• разработать алгоритм моделирования расстановок вагонов на палубах паромов различных типов, учитывающий особенности их загрузки с учетом допустимого перевеса, длины палубных путей;
• разработать имитационную модель железнодорожной станции обслуживающей паромную переправу в среде моделирования ОР8Б с целью оптимизации стратегии функционирования паромного комплекса и его тех» нического оснащения;
• оценить эффективность вложения инвестиций в строительство паромного комплекса и организацию международной паромной переправы.
Методика исследования. Работа выполнена с использованием методов теории вероятности, математической статистики, теории сложных сис-
1 Под интервалом опережения понимается промежуток времени между моментом прибытия на предпаромнуго станцию поездом и моментом швартовки парома, на который вагоны с этого поезда могут быть погружены.
тем, имитационного моделирования. Отдельные вычисления проводились при помощи специальных математических программных пакетов.
Научная новнзна работы. 6 диссертации впервые:
• разработана методика обоснования затрат времени на маневровые операции по формированию плетей вагонов назначением на паром с учетом многократной сортировки на основе статистического моделирования расстановок вагонов на палубах паромов различных типов. Методика позволяет оценить время на маневровые операции с учетом уровня загрузки паромов;
• предложена методика обоснования путевого развития парков, количества маневровых локомотивов, паромов и причалов и выбора оптимальной стратегии функционирования паромного комплекса с использованием разработанной автором имитационной модели.
Практическая ценность исследования заключается в возможности применения его результатов и созданных программ для обоснования путевого развития и технического оснащения станций, обслуживающих паромные переправы с учетом наиболее рационального их функционирования как при проектировании новых объектов, так и для существующих паромных комплексов.
Реализация результатов работы. Разработанная с участием автора диссертации имитационная модель паромного комплекса принята к использованию ОАО «Ленгипротранс» при проектировании паромного комплекса в порту Усть-Луга. Разработанные в диссертации положения используются в дипломных проектах, выполняемых на кафедре «Железнодорожные станции и узлы» ПГУПСа.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на:
• международной конференции творческой молодежи: «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке», (Хабаровск, 2003,2005);
• всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных ВУЗов, инженерных работников и представителей академической науки «Современные технологии - железнодорожному транспорту» (Хабаровск, 2003);
• научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Днепропетровск, 2005);
• научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых ПГУПСа («Недели науки» 2002-2005 г.г.);
• заседаниях кафедры «Железнодорожные станции и узлы» ПГУПСа (2002-2005 г.г.)
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 11 работах в виде статей и материалов конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 95 наименований. Работа содержит 122 страницы основного текста, 36 рисунков и 32 таблицы и 7 приложений на 65 страницах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, дается общая характеристика проблемы, формулируются цель и задачи исследования.
Первая глава содержит исторический обзор возникновения, становления, современного состояния железнодорожных паромных перевозок в России и в мире, анализ тенденций и перспектив их дальнейшего развития для нашей страны, а также анализ теоретических работ по определению путевого развития станций обслуживания железнодорожных паромных переправ и требований существующих нормативных документов к проекти-
рованию этих станций.
В настоящее время в ряде стран Европы, а также в Японии наметилась тенденция к сокращению железнодорожных и увеличению автомобильных паромных перевозок. Это связано с небольшой территорией, занимаемой этими странами. В таких условиях более выгодной оказывается доставка грузов в любую точку страны автотранспортом. Иная ситуация складывается в России: дальние расстояния, развитая сеть железных дорог и удобное географическое положение способствует развитию инфраструктуры для перевозки транзитных грузов по территории нашей страны, в которую органично вписываются перевозки с использованием железнодорожных паромов.
На линиях железнодорожных паромных сообщений применяются одно-, двух- и трехпалубные паромные суда. В бывшем Советском Союзе эксплуатировались суда всех трех типов. На переправах Ванино-Холмск, Баку-Красноводск и Крым-Кавказ использовались однопалубные паромы вместимостью 20-30 условных вагонов, на переправе Ильичевск-Варна -трехпалубные паромы вместимостью 108 вагонов, на переправе Клайпеда-Мукран - двухпалубные паромы вместимостью 103 вагона. В настоящее время наблюдаются устойчивые тенденции повышения вместимости паромов. Это связано с пропорционально возрастающей эффективностью их использования. Для переправы Крым-Кавказ ведется строительство однопалубных паромов вместимостью 50 вагонов, Кавказ-Поти - 56 вагонов, на строящемся паромном комплексе в порту Тамань планируется использовать трехпалубные суда вместимостью 120-180 вагонов для организации паромного сообщения с Болгарией, а проект усиления паромной переправы Ванино-Холмск предполагает использование однопалубных паромов вместимостью 56 вагонов.
С ростом вместимости судов увеличиваются объемы маневровой работы, связанной с подборкой вагонов по палубам парома с учетом ограни-
чений по весу и длине. Для этого на станции, обслуживающей паромную переправу необходимо иметь достаточное количество путей в сортировочном парке, вытяжных путей и маневровых локомотивов. Наиболее эффективными для обслуживания паромных переправ являются специализированные станции, имеющие приемный, сортировочный, выставочный, отправочный парки путей и горку. Такие станции могут обслуживать не одну, а несколько паромных линий.
Исследованию проблемы совершенствования железнодорожных паромных сообщений посвящены работы докторов технических наук: В.Н. Образцова, Х.М. Лазарева, Т.З. Нурмухамедова, Н.К. Сологуба, А.Е. Суко-ленова, кандидатов технических наук: С.И. Логинова, ВЛ. Болотного, В.А. Куликовой, Е.Ю. Мокейчева, С.А. Симоняна, А.В. Фокина, а также инженеров: М.Б. Гавриленко, Н.Р. Черевацкой. Однако следует отметить, что указанной проблеме уделялось недостаточно внимания в связи с относительно небольшим практическим опытом в этой области.
В ряде исследований авторы предлагают аналитические методы расчета числа путей на станциях обслуживания паромных переправ, которые не достаточно полно учитывают колебания объемов перевозок, специфику формирования плетей вагонов и технологию погрузки, зависящую от типа паромного судна, а также необходимость многократной сортировки. В действующих «Правилах и нормах проектирования станций и узлов на железных дорогах колеи 1520 мм» выбор путевого развития в парках приема и отправления предпаромных станций предлагается производить по нормам для сортировочных станций, а количество путей в сортировочном парке принимать в зависимости от числа путей на пароме. В диссертации показано, что этих рекомендаций не достаточно.
Результаты анализа, выполненного в первой главе предопределили направление дальнейших исследований.
Вторая глава посвящена обоснованию затрат времени на выполнение
маневровых операций при подборке вагонов по палубам парома с учетом технических и технологических ограничений связанных с типом паромного судна.
Наиболее трудоемкой и длительной технологической операцией, выполняемой на предпаромной станции, является формирование плетей вагонов, которыми называют группы вагонов, подобранные в соответствии с заданным портом планом расстановки на палубах парома (каргопланом). Согласно карго плану каждый вагон в плети должен иметь свое место на палубном пути в зависимости от массы и длины вагона. Плети вагонов подбираются с таким расчетом, чтобы разность массы вагонов на правых и левых бортовых и средних путях не превышала допустимой величины перевеса, зависящей от типа парома. Для крупных паромных судов обычно формируют по четыре плети.
Таким образом, процессу формирования плетей вагонов предшествует разработка сменным инженером-технологом портового комплекса совместно с маневровым диспетчером станции каргоплана.
Момент начала подборки плетей определяется интервалом опережения.
В работе рассматривается следующая технология формирования плетей:
1 - расформирование составов, имеющихся в парке приема на момент начала интервала опережения, на пути сортировочного парка специализированные для накопления плетей;
2 - подборка каждой плети на горке с использованием дополнительных сортировочных путей (окончание формирования плетей);
3 - сборка вагонов в хвосте сортировочного парка с разных путей.
Основными факторами, влияющими на время выполнения маневровых
операций по формированию плетей вагонов, являются: количество отцепов в составах количество вагонов в плетях (тп1Д количество групп вагонов в плетях требующих перестановки (и ), а также кратность сортировки (/ет ).
Время, роспуска состава с горки можно определить по формуле:
Число вагонов в отцепе и количество отцепов в составе определяется числом назначений. Под назначением обычно понимают какой-либо конкретный пункт, который является конечной точкой следования вагона. Это или грузовой фронт, или станция, или подъездной путь и т.д. В случае формирования плетей назначение вагона нельзя определить так же однозначно. За назначение нельзя принять путь на пароме, т.к. один и тот же вагон может быть поставлен как на один, так и на другой путь. Поэтому в рассматриваемом случае количество отцепов и групп вагонов будет определяться при помощи специального алгоритма, реализованного на ЭВМ, который позволяет распределять вагоны по палубам парома в соответствии с требованиями допустимого перевеса и длиной палубных путей (рис. 1). Моделирование производилось с использованием реальных данных о весах вагонов, прибывающих на портовую станцию. При этом вагоны были распределены по весу на три весовые категории с целью более точного учета перевеса. Доля вагонов первой и третьей весовых категорий соответствует доле вместимости центральных путей от вместимости парома, а доля вагонов второй категории (наиболее часто встречающиеся веса вагонов) - соответствует доле вместимости средних и боковых путей на каждой палубе.
В главе установлено, что технологическое время на окончание формирования ¡-той плети с горки с учетом многократной сортировки может определяться по формуле
а время на многократную сборку / -той плети - по формуле
у* Данные о количестве, весе и размещении X _вагонов а составах поездов_
Ввод типа парома: однопалубный, двухпалубный, трехпалубный
Распределение вагонов II категории на боковые пути каждой из палуб случайным образом
Выбор варианта с минимальным количеством Я^
| Добавление остатка к вагонам I и III категорий |
Распределение вагонов по центральным путям палуб случайным образом
определение разности весов вагонов на противоположных бортах парома
| Формирование плетей для данного варианта | | Расчет количества групп вагонов п^ |
Расчет количество отцепов
Рис. 1. Укрупненный алгоритм моделирования расстановки вагонов на палубах парома
Было также установлено, что кратность сортировки с достаточной степенью сходимости подчиняется нормальному закону распределения:
Регрессионный анализ результатов, полученных при моделировании позволил получить зависимости, приведенные на рис. 2. Номограммы позволяют, исходя из числа условных вагонов пваг подлежащих погрузке, определить среднее количество вагонов в плетях гпм\, ттг, т™з, тт4, а также количества отцепов g0 и переставляемых групп п^.
5,07 + 0,27-п^п^ <56 19, ят, 2:56 6,99 + 0,43-л „я„ <51
Рис. 2. Номограмма для определения параметров формирования плетей для двухпалубного парома
С учетом этих параметров можно определить затраты времени на маневровые операции по расформированию составов и формированию плетей при любом количестве вагонов загружаемых на паром, а не только при полной загрузке парома.
Третья глава посвящена разработке имитационной модели паромного комплекса.
Паромный комплекс является сложной системой, на функционирование которой оказывают влияние множество факторов, большинство из которых носит вероятностный характер. Изучение и оптимизация такой системы возможны при помощи имитационного моделирования.
В качестве случайных величин в модель введены: суточный вагонопо-ток, интервалы между поездами, количество вагонов в поездах, прибывающих на станцию, продолжительность неблагоприятных погодных условий, время обработки поездов бригадами ПТО, время маневровых операций по формированию плетей вагонов с учетом кратности сортировки. Подход паромов был задан как детерминированный поток.
Модель исследуемой системы можно представить в виде множества величин, описывающих процесс функционирования реальной системы и образующих следующие подмножества:
• совокупность входных воздействий на систему (подход паромов, подход поездов): х1 еX, / = 1 ,пх;
• совокупность воздействий внешней среды (погодные условия): V, еК, 1=1,Пу;
• совокупность внутренних параметров системы (время на маневровые операции): ЬкеН, к=1,пн;
• совокупность выходных характеристик системы (коэффициенты загрузки устройств, время нахождения вагонов в системе паромного комплекса и коэффициент использования вместимости парома): у> еУ, у'=1,иу.
Процесс функционирования системы рассматривается как последова-
тельная смена ее состояний z,(i), z2(f),zt(i).
Состояние системы в момент времени tQ<t* <ТМ, где Тм- период моделирования, полностью определяются начальными условиями z5'=(z10,z®. z®) (где z,0 = z1(i0), z®=z2(i0), . z°=zt(f0)), входными воздействиями *(/), внутренними параметрами Л(/) и воздействиями внешней среды v(t), которые имели место за промежуток времени t*-t0, с помощью двух векторных уравнений:
Уравнение (5) по начальному состоянию z° и независимым переменным Зс, v, h определяет вектор-функцию
z(t), а уравнение (6) по полученному значению состояний
z(t) - переменные на выходе системы y(t). Таким образом, характеристики системы определяются:
Паромный комплекс можно представить как многофазную многоканальную систему массового обслуживания. Формальное описание процесса функционирования системы паромного комплекса и взаимодействие его с внешней средой представлено в виде (^-схемы, разработанной в диссертации и представленной на рис. 3.
В качестве элементов структуры <3-схемы использованы элементы трех типов: И - источники заявок, Н - накопители заявок, К - каналы обслуживания заявок. Кроме связей, отражающих движение заявок в С>-схеме (сплошные линии), имеют место различные управляющие связи (пунктирные линии), которые позволяют описывать блокировки обслуживающих каналов при помощи клапанов КЛ.
Источники И1, И2 и ИЗ в разработанной структуре модели имитируют
соответственно: поступление экспортного потока (вагоны поступающие в поездах), импортного потока (вагоны поступающие на паромах) и наступление неблагоприятных погодных условий. В качестве накопителей Н с емкостью / в этой системе представлены пути приема (Н1), сортировочные (Н2), выставочные для экспорта (НЗ), выставочные для импорта (Н5), отправочные (Н6) и акватория порта (Н4). Каналами обслуживания являются бригады пунктов технического обслуживания и коммерческого осмотра вагонов (1110 и ПКО), маневровые локомотивы, горка, причалы, комплексные бригады, включающие таможенников, пограничников, работников санитарного и фитоконгроля. Кроме того, на (¡»-схеме отображено влияние погодных условий на работу системы.
Структура разработанной системы (см. рис. 3) такова, что позволяет отразить взаимодействие элементов системы, их влияние друг на друга при помощи управляющих связей и клапанов:
КЛ1 - открыт в момент наступления интервала опережения и фиксирует начало формирования плетей на следующий паром; КЛ2 - открыт до тех пор, пока не закончится многократная сортировка, фиксируя, таким образом, занятость горки;
КЛЗ - открыт после окончания выгрузки вагонов с парома и фиксирует момент начала погрузки вагонов на паром и занятость локомотивов этой операцией; КЛ4 - закрыт в случае наступления неблагоприятных погодных условий, т.е. определяет возможность обслуживания парома; КЛ5 - закрыт в случае если таможенно-пограничный досмотр экспортных плетей не окончен. Он определяет приоритет выполнения операции досмотра (сначала выполняется досмотр экспортных плетей, потом импортных); КЛ6 - закрыт в случае если не окончены операции по накатке вагонов на паром. Этот клапан контролирует занятость маневровых локомотивов (сначала локомотивы задействованы на грузовых операциях с паромом, а петом могут быть задействованы для перестановки импортных плетей на пути отправления).