Технические науки/4. Транспорт

Д.т.н. Спиридонов Э.С., асп. Волков Д.Э.

Московский государственный университет путей сообщения, Россия

Имитационное моделирование проектов развития инфраструктуры

1. Проблема оценки параметров объекта

Развитие транспортной инфраструктуры приобрело сегодня первоочередное народнохозяйственное значение. Причем все сопутствующие этому задачи будут решаться в новых условиях — на основе привлечения не только бюджетных (государственных) средств. Значительную часть сложных инфраструктурных проектов планируется осуществлять за счет государственно-частного партнерства, и обоснование инвестиций для таких вариантов становится ответственным и трудоемким делом.

Сложные транспортные системы имеют структурную и функциональную связность, редко и трудно учитываемую в расчетах. За последние несколько десятилетий накопился определенный опыт применения различных методик и моделей, однако пока экономические риски, связанные с их применением, оцениваются весьма приближенно.

До сих пор в инструкциях (30-летней давности) по расчету, например, числа путей на железнодорожных станциях основу составляют простейшие детерминированные формулы с массой эмпирических коэффициентов, которые не могут адекватно отобразить особенности объекта и влияние на него случайных процессов. Попытки применения при технико-экономических обоснованиях формул теории массового обслуживания к желаемым результатам не приводят — в сложных транспортных сетях большую роль играет управление, которое формулы вероятностного характера практически не учитывают. Ошибки при использовании таких подходов достигают 40% и более. Только построение полной и адекватной компьютерной модели и всестороннее исследование на ней объекта позволит рассчитать его реальные параметры. То есть необходимо включить в проектную практику имитационную экспертизу.

2. Имитационная экспертиза проекта

Основные понятия

Имитационная модель — компьютерная модель, подробно отображающая структуру и технологию работы объекта, позволяющая проводить эксперименты в условиях, близких к реальности, и получить необходимый для оценки проекта набор параметров. Имитационная модель должна достаточно полно отображать случайные колебания входных потоков и параметров работы отдельных устройств, а также диспетчерское управление переработкой и пропуском транспортных потоков.

Имитационная экспертиза — системное исследование с помощью экспериментов на модели, позволяющих получить полную характеристику объекта как системы (пропускную способность, время нахождения транспортных средств в системе с расчленением по операциям, «узкие места» структуры и технологии), а также характеристику элементов и их взаимодействия (полную и полезную загрузку устройств терминалов, локомотивов, железнодорожных путей, грузовых и сортировочных устройств, взлётных полос, автомобильных трасс); задержки из-за занятости устройств, межоперационные простои, возникающие при выполнении операций.

Задачи исследования

Транспортные объекты с такой сложной структурой, как железнодорожные станции и транспортные узлы, транспортные структуры городов, аэропорты, не поддаются строгой формализации, и параметры их работы невозможно рассчитать по аналитическим формулам. Поэтому следует строить имитационные модели проектируемых объектов, исследовать их функции проведением экспериментов на модели и делать комплексную оценку полученных параметров. Основная задача исследования — установить, соответствуют ли параметры объекта заданным в проекте (пропускная способность, время прохождения потока в среднем и по отдельным струям и т. п.).

Весьма важно определить, соответствует ли принятая технология структуре, «узкие места» структуры, качество транспортного обслуживания терминалов и уровень их полезного использования. Результатом исследования должны стать рекомендации по улучшению структуры и технологии пропуска и переработки потоков проектируемого объекта.

Требования к имитационной модели

Отображение структуры. Структура в модели должна быть воспроизведена максимально подробно, так как укрупнение элементов может привести к искажению реальной картины. Применительно к железнодорожным объектам — это вплоть до стрелки, локомотива, пути.

Отображение технологии. Технология описывается на уровне элементарных операций. Под операцией понимается часть технологического процесса, которую нельзя без потери смысла дробить далее: начавшись, она должна заканчиваться (например, приём поезда, расформирование состава, выгрузка вагона). Технологический процесс представляет собой разветвленную последовательность операций и набор условий, при выполнении которых после завершения одних начинаются другие (например, если в сортировочном парке после завершения роспуска накопился состав, то начинается операция формирования).

Задание параметров работы устройств. Время занятости тех или иных устройств в различных операциях получается расчётным путём (в расчётах полезно использовать информацию о работе аналогичных существующих объектов). Очень важно корректно отобразить случайные колебания продолжительности и других параметров использования устройств в операциях.

Отображение диспетчерского управления. Управление функционально неизбежно в процессе использования устройств, игнорирование этого условия приведёт к завышению резервов технических средств. В модели должна быть отражена адаптивность технологии объекта, которую обеспечивает диспетчерское управление.

Требования к проведению экспериментов

Период моделирования функционирования объекта должен включать несколько суток для получения устойчивых результатов при наличии случайных колебаний. Среднесуточные результаты получаются обработкой статистики. Набор экспериментов определяется задачей исследования.

Требования к результатам моделирования

Модель предназначена давать исчерпывающую характеристику объекта, его пропускной способности и другим системным свойствам, количественную и качественную оценку действующим структурным элементам. Результаты моделирования должны стать основой для совершенствования структуры и технологии объекта.

3. Имитационная экспертиза транспортного узла

Изменение последовательности операций

Имитационная экспертиза включает в себя ряд этапов (рис. 1).

Изменение приоритетов

Оценка структуры

Адаптация технологии к структуре

Совершенствование структуры
		Изменение последовательности вариантов
Отработка узловой технологии
		Изменение числа локомотивов, бригад и т.п.
Проверка системы в заданном диапазоне внешних условий
		Изменение специализации путей
	Подготовка заключения экспертизы

Рис. 1. Этапы имитационной Рис. 2. Этапы адаптации

экспертизы транспортного узла технологии к структуре

Вначале необходимо адаптировать технологию каждой станции к её структуре (рис. 2). Задачей является устранение задержек, вызванных несовершенством технологического процесса, несоответствием технологии конкретной структуре (рис. 3). Образно говоря, нужно выяснить, что «может» структура, если технология не будет ей мешать. Естественно, этот этап потребует целой серии экспериментов.

Предложение по совершенствованию структуры

Разложение задержек по операциям

«Узкие места» структуры

Полная и полезная загрузка элементов структуры

На втором этапе осуществляется детальная оценка структуры (рис. 4).

Рис. 3. Адаптация технологии Рис.4. Этапы оценки структуры

к структуре

Особое значение здесь имеют «узкие места» структуры, то есть элементы, вызывающие наибольшие задержки.

Третий этап должен быть посвящен совершенствованию структуры. Здесь специалисты по моделированию ведут работу с проектировщиками. Это тоже потребует многих экспериментов.

Как правило, станции должны иметь несколько режимов работы, на которые они переходят в зависимости от ситуации в узле, что определяется на четвертом этапе.

И последним этапом имитационной экспертизы должна быть проверка структуры и технологии узла в заданном диапазоне внешних условий (рис. 5). Здесь определяются параметры узла, его резервы, устойчивость работы, рассчитывается предельная вместимость, а также период восстановления устойчивого состояния после перегрузки.