В настоящее время вопросам повышения эффективности работы железных дорог уделяется все большее внимание. Остро стоит проблема недостатка некоторых родов подвижного состава. Важной задачей является улучшение использования перевозочных средств транспорта. Этому не в малой степени способствует маршрутизация перевозок массовых грузов. При маршрутизации перевозок сокращается переработка вагонов в пути следования на попутных сортировочных и участковых станциях, снижается время нахождения вагона на технических станциях за период его оборота и, следовательно, высвобождается подвижной состав для дополнительных перевозок грузов.
Одной из форм маршрутизации является организация перевозок кольцевыми маршрутами. Перевозка массовых грузов замкнутыми кольцевыми маршрутами способствует более устойчивому обеспечению отправителей подвижным составом, значительно повышает сохранность перевозимых грузов, сокращает время на маневровую работу и подготовку вагонов к погрузке. Эффективность организации кольцевых маршрутов достигается, прежде всего, за счет сокращения времени обработки на станции погрузки от прибытия до подачи под погрузку, включая стоимость подготовки вагонов к погрузке. Хотя и увеличивается пробег подвижного состава, зачастую такая форма перевозок является единственно возможной по условию обеспечения необходимого уровня надежности транспортного обслуживания. Внедрение кольцевых маршрутов – один из путей решения актуальной задачи по обеспечению дорог погрузочными ресурсами.
Процесс перевозки грузов кольцевыми маршрутами характеризуется высокой степенью неравномерности интервалов погрузки и выгрузки. К факторам, влияющим на неравномерность, следует отнести:
– неравномерность подачи заявок;
– сложность пространственно-временной структуры полигона;
– некратность протяженности полигона длине груженых и порожних рейсов маршрутов.
Влияние этих факторов усложняет задачу управления, когда маршруты обращаются между десятком отправителей и несколькими десятками получателей. Основываясь на собственном опыте и интуиции, диспетчер не может оптимально спланировать выбор порожних и груженых назначений в оперативном режиме.
Возникает необходимость иметь в обороте дополнительное число составов, которые нужны для компенсации неравномерности производственного и транспортного процессов. Для улучшения эксплуатационных и экономических показателей резерв необходимо уменьшать. Сделать это можно за счет эффективного управления. Обычная практика диспетчерского управления в «ручном» режиме заключается в попытке выбора оптимального назначения по очереди и отдельно для каждого маршрута. Известно, что такой подход не позволяет оптимизировать процесс в целом. В теории и на практике оптимальным будет некоторый компромиссный выбор для каждого маршрута, но оптимальный в совокупности для всех вместе на определенном интервале времени. Такой подход к решению проблемы можно организовать только, используя автоматизированную систему с возможностью расчета плана при помощи оптимизационной математической модели. Применение математического аппарата значительно увеличивает множество возможных решений, из которых выбирается рациональное. Это позволит принимать обоснованные решения в вопросах транспортного обслуживания поставщиков и потребителей, а также обеспечивать процессы доставки груза с минимумом затрат.
Особенностью оперативного управления в данной сфере является то, что поиск наиболее рациональных решений происходит при соблюдении жестких временных ограничений. В связи с этим непосредственное использование математических методов расчета технологами и оперативными работниками железной дороги невозможно ввиду сложности моделей и трудоемкости процесса их построения. Исходные данные для расчета содержат до десятка мегабайт данных в структурированном текстовом формате. Поэтому на первом этапе необходимо было решить проблему доступности метода.
Проблемой автоматизации оперативного планирования работы кольцевых маршрутов занимался ряд ученых в МГУПС-МИИТе, ПГУПСе, УрГУПСе, ВНИИЖТе, Дальневосточной и Октябрьской дорогах. Основу предлагаемых систем оперативного планирования составляют либо методы линейного программирования, либо эвристические алгоритмы.
В исследованиях рассматривались различные постановки транспортных задач. Их недостатки состоят в том, что груженые и порожние рейсы маршрутов считаются как разные задачи с разным периодом расчета. При этом результаты расчета предыдущих планов являются исходными данными для последующих. Возникает необходимость ручного связывания таких планов друг с другом. Продолжительность периода планирования ограничивается минимальным оборотом маршрута между станциями. Ограничение накладывается структурой полигона обращения кольцевых маршрутов и доступной на момент расчета информацией.
Предлагаемая постановка исключает следующие недостатки:
1. Необходимость ручной передачи информации между разными этапами расчета груженых и порожних рейсов.
2. Снимается ограничение, накладываемое структурой полигона на продолжительность расчета.
В качестве математического аппарата выбран вариант динамической транспортной задачи с задержками (ДТЗЗ), разработанный проф. Козловым П.А. [1]. Постановка задачи специальным образом адаптирована под ограничения, позволяющие описать несколько оборотов маршрута за период расчета. Это делает возможным нахождение оптимального плана обращения кольцевых маршрутов, минимизируя в совокупности все элементы оборота. В результате обеспечивается своевременный подвод грузов к потребителям, а также распределение порожних маршрутов к пунктам погрузки. Ниже приведена наиболее значимая часть математической постановки ДТЗЗ, включающая функционал и балансовые ограничения, описывающие условия сохранения потока.
Оптимизация транспортных потоков решается минимизацией целевой функции:
где 
– общие затраты на погрузку всех видов груза;
– общие затраты на выгрузку всех видов груза;
– общие затраты нахранениевсех видов груза;
– общие затраты на хранение всех груженыхжелезнодорожных составов
– общие затраты на хранение всех порожнихжелезнодорожных составов;
– общие затратына перевозку всех порожних железнодорожных составов;
– общие затратына перевозку всех груженых железнодорожных составов;
– общие затраты на производство излишнего груза;
– общие затраты на недопоставку всех видов груза.
Здесь 
задает суммарные затраты на выполнение плана перевозок. Критерием оптимальности является минимум суммарных затрат на хранение и перевозку груженых и порожних маршрутов, затрат на хранение, погрузку и выгрузку груза, недопоставку и недопотребление.
Закольцованные рейсы маршрутов описываются с помощью балансовых ограничений:
– груза на станции погрузки
– груза на станции выгрузки
– груженых железнодорожных составов на станции погрузки
– груженых железнодорожных составов на станции выгрузки
– груженых железнодорожных составов на транзитной станции
– порожних железнодорожных составов на станции погрузки
– порожних железнодорожных составов на станции выгрузки
– порожних железнодорожных составов на транзитной станции
Полный набор ограничений, используемых в постановке, дополнительно включает ограничения на неотрицательность переменных и пропускную способность.
Метод решения основан на сведении динамической транспортной задачи с задержками к транспортной задаче в сетевой постановке по известному алгоритму Форда – Фалкерсона [7-10].
При использовании ДТЗЗ в кольцевой постановке для планирования перевозок кольцевыми маршрутами в динамике отсутствует необходимость выбора периода расчета и периодов планирования для поставщиков и потребителей. Величина периода расчета ограничивается аппаратными средствами и зависит от размерности задачи. Имеется опыт решения задач большой размерности – 50000 переменных и 60000 ограничений. Продолжительность расчета таких задач на персональном компьютере на базе процессора «Pentium-IV» с тактовой частотой 2,4 ГГц составляет примерно от 1 до 1,5 часов.
Основные отличия предлагаемой постановки состоят в следующем:
– полные обороты маршрутов оптимизируются в одной задаче;
– в качестве транспортируемой единицы используется несколько видов продукта (груз, груженый маршрут и порожний маршрут);
– один и тот же узел выполняет функции поставщика одного вида продукции и потребителя другой. К такту начала погрузки на станции должен находиться груз и порожний состав. В такт окончания погрузки возникает новый продукт – груженый состав, который следует на станцию выгрузки. После его прибытия происходит выгрузка, которая представляет собой процесс разделения груженого состава на два продукта – груз и порожний состав.
В настоящее время накоплен большой опыт организации кольцевых маршрутов в районах с устойчивыми транспортно-экономическими связями между отправителями и получателями массовых грузов – каменного угля, руды, строительных грузов, нефтегрузов. Работы ученых: Амелина В.П., Борового Н.Е., Гоманкова Ф.С., Рудых А.М., Волобуева Ю.М., Кабаева Н.Ф., Тушина Н.А., Чернова Г.И. [2-6] направлены на исследование проблем в области организации перевозок грузов кольцевыми маршрутами.
На основе оптимизационной модели, а также результатов анализа существующей организации перевозок строительных грузов кольцевыми маршрутами была разработана автоматизированная система управления обращением дорожно-кольцевых маршрутов (АСУ ДКМ) на полигоне сети железных дорог.
Система представляет собой комплекс, состоящий из четырех подсистем:
1. Подсистема формирования транспортной сети полигона обращения (ПФТС), предназначенная для создания модели транспортной сети полигона обращения ДКМ и постановки задач планирования.
2. Подсистема календарного планирования (ПКП) предназначена для анализа заявок на грузовые перевозки и автоматизации разработки календарного плана погрузки и подвода ДКМ к потребителям.
3. Подсистема оперативного планирования (ПОП) предназначена для распределения погрузочного ресурса между предприятиями грузоотправителями в зависимости от плана погрузки. Погрузочным ресурсом считаются ДКМ рабочего парка в порожнем состоянии, находящиеся на дороге.
4. Подсистема контроля движения и анализа использования ДКМ (ПКДА) предназначена для:
- определения текущей дислокации и истории движения ДКМ как в порожнем, так и в груженом состояниях;
- расчета оборота маршрута и оценки эффективности использования маршрутов грузоотправителями и грузополучателями.
Программный комплекс позволяет описать в удобном интерфейсе на языке железнодорожной технологии полигон обращения маршрутов, задать вариантные графики движения и в автоматическом режиме сформировать структуру математической задачи оптимизации. Изменяемыми данными для каждого расчета служат определенный погрузочный ресурс и желаемый ритм подвода маршрутов к потребителям в регионе. Погрузочный ресурс – составы порожних маршрутов, следующие под погрузку. Для определения их расположения на полигоне обращения ведется постоянный анализ сообщений АСОУП.
Схема автоматизации процесса управления перевозками кольцевых маршрутов приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема автоматизированной системы управления дорожно-кольцевыми маршрутами.
Применение математической модели, в которой закольцованы груженые и порожние рейсы маршрутов для решения практических задач требует адаптации к существующей методике планирования. На практике способ планирования погрузки и доставки грузов маршрутами определяется договорными отношениями между поставщиками и потребителями. В подаваемых отправителями заявках на погрузку может быть указано конкретное время отправления груза. Поэтому имеется определенное противоречие между свойствами математического аппарата и практикой планирования. Предлагается при помощи специального алгоритма определить в начале рейсы груженых маршрутов и в оптимизационной закольцованной задаче использовать их как константы, а не искомые переменные. Переменными будут являться величины нахождения маршрутов на станциях погрузки/выгрузки и порожних рейсов. При таком подходе наиболее важными элементами решения являются рейсы порожних маршрутов, поэтому такой подход получил название – метод управления погрузочным ресурсом (МУПР).
Укрупнено алгоритм определения моментов погрузки и выгрузки заключается в следующем. Суммарное распределение объемов между поставщиками и потребителями задается с помощью заявок на погрузку. Заявки могут подаваться с указанием даты погрузки или быть со свободной датой. Маршруты должны отправляться в указанное в заявках время. После занесения всех заявок рассчитывается календарный план. Целью расчета является согласованный несгущенный подвод маршрутов к потребителям в течение планируемого периода. В основу алгоритма расчета плана положено равноинтервальное назначение моментов производства/потребления на периоде расчета. Сложность построения наиболее эффективного плана перевозок состоит в определении критериев, которым он должен соответствовать. В данном случае для решения задачи используется следующее практическое соображение: оптимальному плану перевозок соответствует равноинтервальное назначение погрузок (выгрузок) на периоде планирования. Такая организация перевозок считается удобной для всех участников перевозочного процесса, т.к. обеспечивает подвод груза в заданном ритме. Это дает равномерную загрузку станций, наиболее эффективное использование погрузо-выгрузочных устройств на предприятиях.
Необходимо учесть, что моменты выгрузки должны назначаться в начале рабочей смены, примерно в 8 00. Приведем алгоритм определения моментов погрузки. Для построения необходима следующая исходная информация:
– протяженность периода планирования;
– набор заявок от потребителей на выполнение перевозок;
– для каждой из станций выгрузки необходимо задать суммарный объем потребления;
– времена хода между станциями, связанными перевозками.
Для проверки реализуемости календарного плана подвода порожних маршрутов к пунктам погрузки, с помощью имитационной модели проводится оценка адекватности применения автоматизированного управления перевозками массовых грузов кольцевыми маршрутами, исследуется эффективность автоматизированного управления АСУ ДКМ.
Оптимизационные модели в значительной степени абстрактны и отображают объект с известным приближением. Нерассмотренные ограничения можно учесть с помощью имитационной модели, которая позволяет исследовать закономерности функционирования объекта с учетом трудно формализуемых конкретных особенностей: схемы путевого развития, принятой технологии, парка локомотивов и вагонов.
Структура управляющей подсистемы должна состоять из двух частей: решающей и проверяющей. В решающей части находится оптимизационная модель, базирующаяся на динамической транспортной задаче с задержками в кольцевой постановке, позволяющая найти оптимальную в динамике схему потоков. В проверяющей части находится имитационная модель, построенная с помощью имитационной системы «ИСТРА», которая подробно имитирует работу объекта и проверяет реализуемость оптимальной схемы работы. Схематично структуру управляющей подсистемы можно представить следующим образом, см. рис. 2.
Оптимизационная модель рассчитывает схему потоков. Результирующая динамическая схема преобразуется в вид, понятный имитационной модели. Имитационная модель проверяет реализуемость этой схемы работы. Если да, то выдается решение, если нет, то условия для решения оптимизационной задачи корректируются определенным образом (изменяются время хода по дугам, пропускные способности дуг и пр.) и процесс повторяется. Пропускная способность горловин и т.п. может меняться в зависимости от конкретной структуры потоков. Если реальная пропускная способность оказалась ниже заданной по соответствующей дуге в оптимизационной модели, то требуется корректировка и пересчет. Взаимодействие двух частей показано на рис. 3.
Рис. 2. Структура АСУ ДКМ.
Управление, основанное на применении автоматизированной системы, заключается в исполнении построенного подсистемой планирования календарного плана. Календарный план по распределению груженых маршрутов между станциями погрузки и выгрузки составляется на основе заявок на погрузку щебня. Оптимальную схему распределения порожних составов маршрутов получаем, при решении транспортной задачи с задержками в кольцевой постановке с использованием МУПР.