книги из ГПНТБ / Тихонов, К. К. Выбор оптимальных параметров эксплуатации железных дорог

Теоретическое содержание проблемы заключается в раскрытии и математической формализации внутренних взаимосвязей, построении математико-экономической модели задачи, исследовании зависимостей результатов решения от различных факторов. Без такой формализации невозможно установить параметры технических устройств и подвиж­ ного состава, которые в сочетании с определенными способами орга­ низации движения призваны обеспечить минимальные народнохозяй­ ственные затраты на осуществление грузовых перевозок за более или менее длительный период эксплуатации линии с этапной системой уси­ ления ее мощности. Математико-экономическая модель этой задачи свя­ зывает в единую функциональную систему такие переменные и неза­ висимые параметры эксплуатации железных дорог, как длина стан­ ционных путей, ходовая скорость грузовых поездов и расчетные по­ ездные погонные нагрузки, разные к тому ж е в четном и нечетном н а п р а в л е н и я х .

ниях и разработать обоснованный план удлинения их на всем полигоне сети, установить оптимальные весовые нормы и ходовые скорости гру­

ские показатели: необходимую мощность пути и искусственных соору­ жений, оснащение станций, устройства сигнализации, централизации, блокировки, динамическую прочность подвижного состава, мощность тормозных средств, т. е. определить показатели технического прогрес­ са железнодорожного транспорта.

Тягово-энергетические и эксплуатационно-экономические показа­ тели перевозочного процесса как определенного состояния физической

Учитывая это, выбор оптимального веса поезда, в том числе и на перспективу, распадается по существу на две, правда, взимосвязанные задачи: нахождения оптимальной весовой нормы и соответствующего ей среднего веса поезда. Проблема сводится, таким образом, к выбору оптимальной весовой нормы при установленной функциональной свя ­ зи ее со средним весом поезда.

Обеспечение оптимальной эксплуатации железных дорог в пер­ спективе имеет по существу следующие аспекты решения:

комплексный выбор параметров оптимальной эксплуатации — оптимальных весовых норм и ходовых скоростей грузовых поездов сов­ местно с оптимальными параметрами перспективных локомотивов и удлинением станционных приемо-отправочных путей;

выбор оптимального удлинения станционных путей при перемен­ ных параметрах тяговых средств и заданных постоянных на особо найденном оптимальном уровне или дискретно варьируемых в исход­ ной информации ходовой скорости и разных по направлениям движе-

21

ния расчетных поездных погонных нагрузок при заданном характере или параметрах закона их распределения;

выбор оптимальных весовых норм и оптимальной длины станцион­ ных приемо-отправочных путей при заданных параметрах существую­ щих или перспективных локомотивов, а т а к ж е особо найденных при подготовке исходных данных на оптимальном уровне расчетных и со­

Определение оптимальных весовых норм грузовых поездов при заданных длине станционных приемо-отправочных путей и параметрах тяговых средств — самостоятельная, достаточно сложная и обособлен­ ная проблема оптимальной эксплуатации железных дорог, главным образом, в текущих (или условно текущих) условиях, теоретические основы решения которой достаточно полно изучены [28].

Наиболее общий и сложный в теоретическом отношении — ком­ плексный выбор оптимального сочетания удлинения станционных приемо-отправочных путей, ходовой скорости и расчетных по на­ правлениям движения поездных погонных нагрузок . Так как повы­ шение весовых норм грузовых поездов направлено на усиление про­ возной способности (мощности) линии и связано с отдалением необхо­ димых или экономически целесообразных сроков осуществления других мероприятий ее увеличения, выбор оптимальных весовых норм на перспективу с удлинением станционных путей относится к общей

и рассредоточения затрат на развитие линии, т. е. взаимосвязь пере­ возочного процесса и технического развития линии за определенный расчетный период времени.

Оптимизация этой динамичной системы по принятому критерию связана с обеспечением такого удлинения путей и осуществления по­ следующих мероприятий развития линии, при котором заданный объем

рость известна, она — производная удельной мощности тяги . Если параметры локомотива не заданы, то в расчетах их принимают в функ ­ ции весовой нормы и ходовой скорости. Ходовая скорость в этом слу­

Условия, когда параметры тяговых средств (мощность, вес, стои­ мость локомотива) заданы, назовем условиями ближней перспективы, а когда не заданы и выступают в виде непрерывной функции веса и

независимая переменная, значение которой соответствует минимуму приведенных перевозочных затрат, т. е. оптимально. Термины — даль-

22

н яя и б л и ж н я я перспектива — в настоящем исследовании других значений не имеют и потому условны. Они в основном отражают не столько период времени, за который рассматривается проблема, сколь­ ко особо заданные необходимые условия. Методика и программа рас­ четов на ЭВМ для условий дальней и ближней перспективы различны и рассматриваются раздельно. В исследовании, таким образом, ре­ шаются следующие вопросы:

теоретическая модель комплексного выбора основных параметров, обеспечивающих перспективную эксплуатацию железных дорог в оп­ тимальном режиме на основе математической формализации взаимо­ связей;

математико-экономическая модель выбора оптимальных весовых норм грузовых поездов на перспективу как важнейшего параметра оптимизации перевозочного процесса и норматива для определения оптимальных параметров перспективных локомотивов;

алгоритм и программа расчетов на ЭВМ оптимальной длины стан­ ционных приемо-отправочных путей, предназначенные для научноисследовательских целей, планирования капиталовложений на усиле­ ние провозной способности железных дорог, расчетов на конкретных направлениях (предпроектных, на стадии разработки технических заданий на проектирование и экспертных для проверки готовых про­ ектов);

влияние различных факторов и их совокупностей на сферы вы­ годности удлинения станционных путей в различных конкретных

2. М Е Т О Д И К И Р А С Ч Е Т О В

Теория и практика эксплуатации железных дорог наметили не­ сколько принципиально различных направлений в решении проблемы выбора оптимальных весовых норм и ходовых скоростей грузовых поездов на перспективу. Основные из них — определение:

экономически выгодных весовых норм при заданных параметрах тяговых средств. Скорость поездов в этой методике принята максималь­ но возможной по тяге для варьируемых весовых норм и заданных типов локомотивов. Задача сводится к составлению уравнения приведенных перевозочных затрат только расчетного года и капиталовложений в этот период в функции веса поезда, без учета темпа роста перевозок в пер­ спективе, других этапных мероприятий по освоению растущих пере­ возок, сроков их осуществления и эффективности рассредоточения по времени затрат на усиление мощности линии для освоения возрас­

23

частных производных уравнения приведенных перевозочных затрат

оптимальной длины станционных приемо-отправочных путей на вновь проектируемых линиях при заданном типе локомотива как на заданный грузопоток расчетного года эксплуатации — сравнением суммарных строительных и перевозочных затрат для разных, произ­ вольно выбранных вариантов весов поездов и длин путей, так и с уче­ том темпа роста перевозок и эффективности отдаления затрат. Ходо­ вая скорость принимается как функция заданной установившейся скорости на расчетном подъеме для типов профилей пути по характе­ ристике М И И Т а [ 3 ] ;

оптимальных весов грузовых поездов через наивыгоднейшую сте­ пень удлинения станционных приемо-отправочных путей и заданную среднюю погонную нагрузку подвижного состава при заданной отдель­ но найденной [18] оптимальной ходовой скорости, не зависящей от веса поезда, и переменных параметров (в функции веса поезда и опти­ мальной ходовой скорости) тяговых средств.

Задача решается лишь д л я однопутных линий и сводится к построе­ нию математико-экономической модели освоения возрастающих пере­ возок за какой-то более или менее длительный период времени с при­ ведением всех перевозочных и строительных затрат к исходному пе­ риоду. Основа модели — этапная во времени система усиления мощ­ ности линии, первое мероприятие которой — варьируемое удлинение станционных путей. Задача решается, таким образом, в динамичной системе — с учетом темпа роста перевозок и экономики как удлине­ ния путей, так и стоимости осуществления последующих мероприятий рассредоточения затрат во времени и с учетом эффективности их отда­ ления. Общие недостатки всех методик следующие:

1. Мощность тяговых средств, ходовые скорости, тягово-энерге- тические показатели и размеры движения определяются одним и тем же весом поезда, который выступает и в качестве весовой нормы, и в качестве среднего веса. В действительности средний вес поезда, опре­ деляющий размеры д в и ж е н и я , всегда ниже весовой нормы. Отождест­ вление весовой нормы со средним весом поездов занижает действитель­ ные размеры движения, потребную пропускную способность и неоправ­ данно отдаляет сроки осуществления отдельных этапных мероприятий по усилению мощности линии в зависимости от темпов роста перевозок.

2. Несостоятельны расчеты длины станционных приемо-отправоч­ ных путей по заданной средней погонной нагрузке подвижного состава. При этом все поезда принимают сформированными по длине путей ве­ совой нормой, соответствующей средней погонной нагрузке подвиж ного состава. В действительности поезда с погонной нагрузкой, откло­ няющейся от средней в меньшую сторону, полносоставные, но вес их меньше расчетного, а у поездов с погонной нагрузкой больше средней длина меньше, чем длина путей. Очевидно, что средняя погонная на­ грузка не может быть основой таких расчетов.

24

3. В общем случае, когда вес и скорость грузовых поездов высту­ пают в качестве независимых переменных (при переменных параметрах тяговых средств), не отражено то, что четное и нечетное направления движения имеют разные состав и характер грузопотока, степень использования грузоподъемности подвижного состава (разные пара­ метры распределения поездных погонных нагрузок) . Следовательно,

ниям движения типов профиля пути (в существующих методиках эти

4. Прямолинейный темп роста грузовых и пассажирских перевозок в перспективе, вообще говоря, частный случай с тем меньшей степенью вероятности, чем больше период перспективы. Более общий случай — криволинейный темп роста объема перевозок в перспективе чаще с не­ сколько затухающей кривизной, реже — с возрастающей кривизной. Последний случай характерен д л я линий, обслуживающих новые и развивающиеся промышленные районы .

5. Частный и поэтому не приемлемый д л я обобщений и тем более решений в конкретных условиях случай — равенство по направле­ ниям движения темпов роста перевозок, расчетных уклонов, погонных нагрузок, отношений веса нетто к весу брутто груженых вагонопотоков, весов поездов, необходимой д л я их освоения мощности тяговых средств и др . В общем случае все эти данные следует принимать в со­ ответствии с реальными условиями, разными по направлениям дви­ ж е н и я .

6. Не соответствует реальным условиям принимаемое в исследова­ ниях, связанных с этапным усилением мощности линий (в том числе и удлинением станционных приемо-отправочных путей до оптимального уровня), определение сроков осуществления мероприятий по равенству наличной и потребной провозной способности с учетом резерва в гру­ зовом направлении . Технически необходимые сроки осуществления отдельных мероприятий этапного усиления мощности линии следует определять сравнением наличной и потребной пропускной способности по направлениям движения . В зависимости от характеристики грузо­ потока, степени использования вагонного парка, уровня и характера распределения поездных погонных нагрузок размеры движения в не­ грузовом направлении могут оказаться выше, чем в грузовом, и рас­ четным в этот период будет уже грузопоток негрузового н а п р а в л е н и я .

ным (определяющим сроки осуществления мероприятий этапного уси­ ления мощности линии) может оказаться грузопоток груженого на­ правления, а в другие периоды — грузопоток обратного (негрузового) н а п р а в л е н и я .

25

7. В технико-экономических расчетах не учитывается пропуск порожних вагонопотоков в направлении, встречном расчетному.

8.В анализируемых методиках не учитывается изменение составов (весов) поездов на границах расчетного направления с примыкающими

кнему, на которых длина станционных приемо-отправочных путей остается неизменной.

9.Затраты, связанные с накоплением вагонов в пунктах формиро­ вания поездов, учитываются при постоянном произвольно взятом ко­ личестве назначений плана формирования, в то время как оно зависит от величины расчетного грузопотока, среднего веса поездов и длины линии [22].

10.Оптимальное удлинение станционных приемо-отправочных путей определяется только при переменных параметрах тяговых средств. На практике и в производственных условиях даже для перспек­ тивных расчетов типы (параметры) существующих или проектируемых локомотивов, которыми может быть освоен поездопоток с увеличива­ ющимся весом поездов, известны. Если для определения оптимальных весовых норм грузовых поездов на перспективу и одновременно опти­ мальных параметров перспективных локомотивов функциональная зависимость от веса и скорости поезда — единственно возможный ме­

тодический прием расчетов, то на ближайшие 15—20 лет более обос­ нован расчет длины путей с заданными параметрами локомотивов.

11.Технико-экономические нормативы во многих ранее выполнен­ ных исследованиях устарели. Правда, один из основных нормативов — стоимость топлива или электроэнергии — ощутимо влияющий на уровень оптимальной ходовой скорости, что особенно важно д л я мето­ дики совместного расчета оптимальных веса и скорости грузовых по­ ездов, практически мало влияет на уровень оптимального удлинения станционных приемо-отправочных путей, если ходовая скорость за­ дана на особо найденном оптимальном уровне [23].

12.В ряде методик стоимость локомотива принята прямо пропор­ циональной мощности (через постоянное значение удельной стоимости).

Вдействительности, во-первых, удельная стоимость локомотива по мере увеличения его мощности гиперболически снижается, а во-вто­ рых, часть стоимости локомотива в определенных пределах не зависит от его мощности [23].

Основной недостаток первых двух направлений общей методики —• решение проблемы в статике: на грузопоток и техническое оснащение линий расчетного года, без учета таких решающих технико-экономи­ ческих факторов, как темп роста перевозок в перспективе, эффектив­ ность отдаления (повышением весов поездов) затрат на осуществление последующих мероприятий усиления мощности линии, нарастающей во времени эффективности удлинения станционных приемо-отправоч­ ных путей из-за роста объема перевозок, необходимости освоения за­ данных перевозок в оптимальном режиме не только в какой-то произ­ вольно взятый или плановый расчетный год, а и за более или менее дли­ тельный перспективный период. Освоение таких оптимальных весовых норм как непрерывной функции величины грузопотока потребовало бы практически к а ж д у ю пятилетку заново удлинять станционные прие-

26

мо-отправочные пути и вводить новые, более мощные локомотивы, что, совершенно очевидно, не может быть целесообразным и технически неосуществимо. Если к тому же учесть, что подавляющая доля дей­ ствительного экономического эффекта от повышения весовых норм гру­ зовых поездов в перспективе заключается в отдалении крупных капита­ ловложений на осуществление последующих мероприятий по усиле­ нию провозной способности линий, то станет очевидной несостоятель­ ность подобных расчетов как в научно-исследовательской, т а к и в про­ ектной практике .

Каждое из направлений в исследовании уровня оптимальных весов грузовых поездов на перспективу имеет, кроме общих недостатков, еще и свои, присущие только ему. Первое направление ограничивает условия исследования заданным типом локомотива и максимально возможной при этом ходовой скоростью. Очевидно, что в таких расче­ тах чаще всего оптимальными будут максимально возможные веса по­ ездов по тяге . Это накладывает свой отпечаток и на возможное удли­ нение станционных приемо-отправочных путей: как правило, ограни­ чение веса поездов по заданной мощности тяги наступает раньше, чем достигается оптимум удлинения станционных приемо-отправочных путей. Задача носит частный характер, ограниченный заданными усло­ виями, и достоверного решения ее быть не может.

Совместный поиск оптимальных весов и скоростей д в и ж е н и я по­ ездов в перспективе при переменных параметрах локомотивов и пере­ менной длине станционных приемо-отправочных путей, функцио­ нально связанных с весом и скоростью, в математическом отношении наиболее корректен, так как даже при переменной мощности тяги вес и скорость поездов в определенной мере взаимосвязаны, однако тесно­ та этой связи мала и с некоторой условностью их можно рассмат­ ривать как независимые переменные. С этой, и только с этой точки зрения данная методика не вызывает возражений . По существу ж е она имеет следующие существенные недостатки. В ней принято, что:

оптимальные ходовые скорости как независимые переменные, опре­ деляющие мощность тяговых средств, одинаковы в обоих направлениях д в и ж е н и я , в то время как в действительности при разной крутизне расчетных подъемов и типах профиля пути, а также характере и пара­ метрах распределения поездных погонных нагрузок ходовую скорость как независимую переменную можно принять только в одну (четную или нечетную) сторону движения, так как во встречном направлении при этом окажется у ж е заданным тип (параметры) локомотива, ходо­ вая скорость будет функцией известной удельной мощности тяги;

многие технические параметры и нормативы, функционально (или дискретно) зависящие либо от скорости или веса поездов, либо и от скорости, и от веса, — независимые постоянные (коэффициент участ­ ковой скорости, эквивалентный уклон, отношение скорости на рас­ четном подъеме к средней ходовой скорости на участке и др.);

средневзвешенное на всем участке основное удельное сопротивле­ ние движению пропорционально средней ходовой скорости. В действи­ тельности ж е в тяговых расчетах надо принимать средневзвешенную скорость по пути, чтобы учесть влияние на средневзвешенное удельное

27

основное сопротивление движению на всем участке характера и ампли­ туды колебания скоростей;

затраты на удлинение станционных путей прямолинейно пропор­ циональны степени удлинения, в то время как в действительности с увеличением степени удлинения станционных путей удельная стои­ мость его возрастает криволинейно (чаще всего параболически).

Кроме того, функциональная зависимость количества раздельных пунктов от размеров грузового движения условна, так как на коли­ чество и размещение раздельных пунктов влияют условия обслужи ­ вания местных грузовых и пассажирских перевозок, размещение насе­ ленных пунктов, рельеф и план местности, особые требования к про­ пускной способности линии, размеры не только грузового, но и пас­ сажирского движения . Рекомендуемые в качестве оптимальных вес и

поездов различные взятые отдельно и в совокупности факторы, а т а к ж е наиболее вероятные значения оптимальных веса и скорости грузовых поездов для разных условий, не установлено. В результате расчетов по этой методике получены заниженные значения оптимальных ходо­ вых скоростей.

Методика определения оптимальной длины станционных приемоотправочных путей, рекомендуемая Всесоюзным научно-исследователь­ ским институтом транспортного строительства, также, кроме общих, имеет свои существенные специфические недостатки:

тип локомотива в таких задачах может быть задан только при удли­ нении существующих станционных путей до оптимального уровня, но не д л я новых линий (пока их проектируют, строят и эксплуатируют до расчетного года, любой локомотив морально устареет и режим экс­

цией веса и скорости поезда; утверждение, что при одном и том ж е грузопотоке и ходовой скоро­

сти расходы на передвижение поездов почти не зависят от веса поезда, несостоятельно;

нельзя расчетный вес поезда определить по средневзвешенной по­ гонной нагрузке подвижного состава, к тому ж е характерной д л я всего вагонопотока, безотносительно к тому, как он будет объединяться в поезда;

оптимальная длина станционных путей выбрана только в града­ циях установленных стандартов;

в системе мер этапного усиления мощности однопутной линии рас­ четный срок искусственно ограничен, так как не учтен завершающий

28

в динамичной системе расчетов, сочетающей заданный темп роста пере­ возок и жесткую систему мер усиления мощности линий для их освое­ ния, причем основным технико-экономическим фактором счи­ тается стоимость удлинения и последующих мероприятий с учетомэффективности отдаления затрат. В этой методике, правда, скорость движения принимается только заданной. Исследования показали [18],. [23], что действительно в статичной системе расчетов вес поездов с р а в ­ нительно мало влияет на величину оптимальных ходовых скоростей.

теснота связи независимых или условно независимых переменных в за­ даче, если эта связь, вообще говоря, есть, то более корректно такое решение, в котором функционал содержит полностью раскрытуюзависимость критерия как от каждого переменного в отдельности, так и от комбинаций произведений или частных этих переменных. В этом отношении общий принцип совместного решения задачи более прием­ лем. К тому ж е важное теоретическое и практическое значение имеет и учет влияния ходовой скорости на уровень наличной пропускной и провозной способности расчетного направления, что связано со сро ­ ками осуществления мероприятий этапного усиления мощности линии в перспективе, а значит и с распределением капиталовложений. С этой точки зрения оптимальные вес и скорость грузовых поездов на перспек­ тиву следует выбирать совместно. Но расчеты показали, что во многих случаях уровень оптимальных ходовых скоростей, найденный в ста­ тичной системе расчетов на некоторые осредненные веса поездов, близок к значениям оптимальных ходовых скоростей, полученным для тех ж е условий в динамичной системе расчетов. Поэтому нужно признать,, что в расчетах оптимальных весовых норм, длин станционных приемоотправочных путей и параметров тяговых средств на перспективу ходовая скорость может быть принята как в качестве независимой пере­ менной, так и на определенном отдельно найденном оптимальном уровне [23].

Учитывая все это, становится очевидным, что данную проблему нельзя считать решенной ни в теоретическом (методическом), ни в п р а к ­ тическом (количественных рекомендациях) отношении.

3. О С Н О В Ы О Б Щ Е Й М Е Т О Д И К И Р Е Ш Е Н И Я З А Д А Ч И

Предлагаемая методика комплексного определения оптимальных весовых норм и ходовых скоростей грузовых поездов совместно с вы­ бором оптимальных удлинения станционных приемо-отправочных путей, и параметров перспективных локомотивов предусматривает общую математическую формализацию задачи и учитывает недостатки суще­ ствующих методик. Теоретическая основа ее следующая:

29