SIMUALTION MODEL FOR EVALUATING THE CARRYING CAPACITY OF RAILWAYS

<jats:p>Purpose. The main purpose of the article is to improve the simulation model of railway direction to evaluate the use of carrying capacity by separate trains. Methodology. The paper deals with the evaluation of the carrying capa-city of railways used at the railways of Ukraine, the European Union, and the USA. It is noted that the reform of the railway transportation market will cause an increase in the quality requirements for the evaluation of the carrying capacity used by trains of various carriers. As the main method for evaluating the carrying capacity in the work, the methods of traction calculations, the organization of movement at railway transport and simulation modeling were used. Findings. The authors developed a simulation model of the railway direction, which reflects both the structure and the interaction of its individual elements. The model includes train model, model of railway infrastructure, mo-del of traffic management, information model. Simulation of the direction functioning is carried out by stages. At the first stage, the movement simulation of single trains is performed. At the second stage, occupation coordination of the railway infrastructure of stations and runs by trains is carried out. Departure of trains to the run is carried out with the possibility of ensuring the permissible intervals between the data, as well as the previous and subsequent trains, the developed model is implemented in the form of the «Traffic Schedule» program. Originality of the work lies in the fact that it proposes an improved simulation model of the railway direction, which reflects the process of trains passing through the sections and railway stations and makes it possible to evaluate the influence of the carrying capacity use degree on the train movement duration. Practical value. The results obtained in this work allow us to estimate the influence of trains that run according to schedule on the conditions for passing the trains that run without schedule.</jats:p>

section_content: Основной целью статьи является совершенствование имитационной модели железнодорожного направления для оценки использования пропускной способности отдельными поездами.
section_name: Цель

section_content: В работе рассмотрены вопросы оценки пропускной способности железных дорог, используемых на железных дорогах Украины, Европейского Союза, США. Отмечено, что реформирование рынка железнодорожных перевозок вызовет рост требований к качеству оценки пропускной способности, используемой поездами различных перевозчиков. В качестве основного метода для оценки пропускной способности в работе использованы методы тяговых расчетов, организации движения на железнодорожном транспорте и имитационного моделирования.
section_name: Методика

section_content: Оценку пропускной способности железных дорог Украины выполняют в соответствии с инструкцией [5]. В данном документе действительной пропускной способностью железнодорожного участка на перегонах называется максимальное количество грузовых поездов (пар поездов) установленной массы и длины, которое может быть пропущено через этот участок за единицу времени в соответствии с его технической оснащенностью и принятым способом организации движения. Величина,,,, n n n n n -количество поездов, соот- ветственно, скорых пассажирских, пассажирских, пригородных, укоренных грузовых и сборных; ск пс пс пр уск сб,,,,      -коэффициенты съема грузовых поездов, соответственно, скорыми пассажирскими, пассажирскими, пригородными, укоренными грузовыми и сборными поездами. 

Несмотря на длительный период применения выражения (1) для оценки пропускной способности железных дорог, оно имеет ряд недостатков. Во-первых, величина коэффициентов съема грузовых поездов поездами различных категорий зависит от соотношения скоростей движения этих поездов, параметров железнодорожных линий и взаимной прокладки поездов на графике. Необходимо отметить, что существует большое количество научных работ, содержащих на оценку величины коэффициентов съема для различных категорий поездов [1, 7, 11], а также их сочетаний. Однако рост количества вариантов расчета коэффициентов съема приводит к тому, что трудозатраты, связанные с аналитическим расчетом пропускной способности железнодорожных участков, приближаются к трудозатратам на ее графическое определение на основании построения максимальных графиков движения. Во-вторых, даже в пределах одной категории параметры поездов существенно отличаются. Так, поезда отличаются массой, числом вагонов, техническим состоянием локомотивов, уровнем подготовки локомотивной бригады и др. [9, 10]. Указанные факторы приводят к тому, что скорости движения разных поездов в потоке отличаются, что также вызывает уменьшение пропускной способности. 

Необходимо отметить, что в Украине Укрзализныця является одновременно и оператором инфраструктуры, и единственным перевозчиком. Стоимость ее услуг регламентирует государство. В этих условиях расчет пропускной способности выполняют в основном на этапе построения графика движения поездов с целью оценки достаточности имеющихся технических средств для освоения плановых объемов перевозок. В случае недостатка пропускной способности железнодорожной инфраструктуры в процессе выполнения перевозок диспетчерский аппарат использует различные организационные мероприятия для ее увеличения, что, как правило, достигается за счет ухудшения показателей использования подвижного состава, но не вызывает экономических расчетов между участниками перевозочного процесса. 

В настоящее время одним из основных направлений реформирования отрасли железнодорожных перевозок является разделение деятельности по эксплуатации инфраструктуры и выполнению перевозок. В этом случае выделение пропускной способности является услугой, которую предоставляет оператор инфраструктуры перевозчикам, что повышает требования к оценке пропускной способности, используемой поездами различных перевозчиков. 

После реформирования функционирование железных дорог Украины будет происходить в условиях, близких к работе железных дорог Европейского Союза и США, где инфраструктуру используют разные перевозчики. 

В Европейском Союзе реализована модель вертикального разделения рынка железнодорожных перевозок. В этой модели пропускную способность операторы предоставляют перевозчикам её как услугу железнодорожной инфраструктуры. Другой особенностью работы железных дорог Европейского Союза, характерной для большинства государств -его членов, является преобладание пассажирских перевозок и организация движения по расписанию как грузовых, так и пассажирских поездов. 

Основными методами оценки пропускной способности железных дорог при этом являются используемый в Великобритании метод CUI [15, 19], а также разработанный МСЖД и принятый 19 государствами метод UIC 406 [15, 16]. Оба метода основываются на сжатии расписаний, при котором выполняется перенос действующих ниток графика в пределах рассматриваемого временного интервала U таким образом, чтобы межпоездные интервалы были сокращены до минимально допустимых значений. Степень заполнения пропускной способности оценивают соотношением времени занятия ин-фраструктуры при сжатом графике и продолжительности интервала U. 

При повышении степени заполнения пропускной способности усиливается влияние задержек поездов одних перевозчиков на пунктуальность графика движения поездов других перевозчиков, а также влияние на величину задержек поездов сбоев, вызванных отказами элементов инфраструктуры и мероприятиями, связанными с ее содержанием. В этой связи в странах, где движение всех поездов выполняют по расписанию, значительное количество исследований посвящено построению графиков движения, устойчивых к помехам [13, 14], а также изменению расписания движения поездов в случае сбоев [18]. 

Сравнение подходов к оценке пропускной способности на железных дорогах Украины и государств ЕС выполнено в [12]. Однако необходимо отметить дополнительную черту, отличающую условия работы железных дорог Украины от железных дорог государств ЕС, которая состоит в том, что на железных дорогах ЕС организовано движение поездов по расписанию от станций формирования до станций расформирования. В то же время на отечественных железных дорогах пропуск поездов по расписанию преимущественно рассматривают только в пределах отдельных участков с целью оптимизации использования локомотивов. Выход на рынок независимых перевозчиков приведет к необходимости организации пропуска их поездов на всем маршруте следования по расписанию [8]. В этой связи возникает задача оценки пропускной способности железнодорожных направлений, учитывающей взаимосвязь процессов, происходящих на участках и технических станциях. 

Условия функционирования железных дорог США имеют существенные отличия от условий работы железных дорог Европейского Союза. Характерной особенностью железных дорог США является преобладание грузовых перевозок над пассажирскими. При этом железнодорожная инфраструктура, как правило, принадлежит частным, вертикально интегрированным железнодорожным компаниям, которые содержат сеть и оказывают услуги по перевозке грузов. Учитывая, что основной грузопоток желез-ных дорог формируют массовые грузы, то накопление поездов происходит до достижения ими максимальной массы или длины, а их движение осуществляется без соблюдения жесткого расписания. При этом конфликтные ситуации разрешает оперативно диспетчерский персонал. Перевозки пассажиров в США выполняет компания AMTRAK, обеспечивающая дальнее сообщение, а также ряд компаний, выполняющих местные и пригородные пассажирские перевозки. Особенностью пассажирских перевозок в США является то, что, как правило, их выполняют на инфраструктуре грузовых железных дорог. В этих условиях актуальной является задача исследования влияния неоднородности транспортного потока на расходы железных дорог, связанные с его пропуском по инфраструктуре. В качестве критерия для оценки уровня заполнения пропускной способности элемента транспортной инфраструктуры используют разницу времени проследования поезда при движении в потоке по сравнению с чистым временем проследования поездом данного элемента. Для оценки пропускной способности в США разработан ряд эмпирических, аналитических и имитационных моделей [17]. Учитывая сложность транспортного процесса, наличие значительного числа взаимосвязей между отдельными поездами в потоке, основным методом, применяемым для оценки пропускной способности железных дорог в США, является метод имитационного моделирования. Одним из наиболее часто используемых программных продуктов при этом является Rail Traffic Controller (RTC). Программный комплекс RTC включает следующие основные модули:

-модуль формирования случайного расписания движения поездов;

-модуль моделирования движения поездов; -модуль разрешения конфликтных ситуаций. 

Выбор очередности пропуска поездов при этом осуществляют в соответствии с заданной системой приоритетов. 

Учитывая то, что грузовые железнодорожные перевозки в Украине связаны в основном с доставкой массовых грузов, значительную долю грузовых поездов как в настоящее время, так и после реформирования отрасли будут отправлять без соблюдения жесткого расписания. Поэтому характер использования пропускной способности железнодорожной инфраструктуры в Украине будет иметь больше общих черт с работой железных дорог США, чем железных дорог стран Европейского Союза. В этих условиях в качестве основного метода оценки пропускной способности железных дорог целесообразно использовать имитационное моделирование. 

Проблемы моделирования движения поездов исследуют в большом количестве научных работ как в Украине, так и в других постсоветских государствах, имеющих сходные с Украиной принципы организации движения поездов. 

По железнодорожным путям поезда следуют не независимо, а в потоке. При этом скорость движения отдельного поезда является случайной величиной, зависящей как от его параметров, так и от параметров движения смежных поездов. В [10] установлено существование оптимальной загрузки перегона поездами, превышение которой приводит к падению величины пропускной способности. 

В работе [2] рассмотрена задача построения имитационной модели развязки железнодорожных линий на подходе к станции. Функциональная модель развязки имеет иерархическую структуру и разделена на три уровня. На метауровне модель развязки рассматривают как СМО, предназначенную для обслуживания (пропуска) потоков поездов на примыкающих линиях. На макроуровне в качестве элементов в модель развязки включены две взаимосвязанные функциональные модели: модель движения потока поездов и модель системы регулирования движения поездов и их пропуска через пункты пересечения (система автоблокировки на перегонах и электрической централизации в пунктах пересечения/слияния). На микроуровне осуществляется имитационное моделирование движения отдельных поездов, которое реализовано на основе решения дифференциальных уравнений движения [2]. Система управления светофорами формализована с использованием конечных автоматов. В [3] Отправление поездов на перегон осуществляют при возможности обеспечения допустимых интервалов между данным, а также предшествующими и последующими поездами. 

Каждую станцию в модели рассматривают как двухфазную многоканальную систему массового обслуживания с отказами. Входящий и исходящий потоки при этом образуют поезда, прибывающие на станцию и отправляющиеся с неё. Аппаратами обслуживания в первой фазе являются бригады ПТО, во второй -перегон, на который отправляют поезд. 

При необходимости обслуживания поезда на станции бригадой ПТО его продолжительность моделируют как случайную величину в соответствии с параметрами с f. Очередь образуют поезда, простаивающие на станционных путях в ожидании обслуживания бригадой ПТО и отправления на перегон. 

В качестве основных типов поездов, обращающихся на сети, выбраны:

-пассажирские и грузовые поезда, которые следуют по жесткому расписанию; -грузовые поезда, которые следуют без расписания движения. 

Расписание движения поездов первого типа формирует выполняющее моделирование лицо. Момент поступления в модель i -го поезда вто- рого типа ( 1, i N N  -число поездов второго типа) устанавливают как: Величину интервала t поступления поездов моделируют как:

Критерием для оценки степени использования пропускной способности направления может быть средняя продолжительность задержки грузового поезда, следующего без расписания. 

Предложенная модель реализована в виде программы «График движения», главное окно которой на рис. 1.
section_name: Результаты

section_content: Научная новизна работы состоит в том, что в ней предложена усовершенствованная имитационная модель железнодорожного направления, которая отражает процесс пропуска поездов по участкам и через железнодорожные станции и позволяет оценивать влияние степени использования пропускной способности на продолжительность движения поездов. 

Полученные в ней результаты позволяют оценить влияние поездов, следующих по расписанию на условия пропуска поездов, следующих без расписания движения.
section_name: Научная новизна и практическая значимость

section_content: Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Реформирование рынка железнодорожных перевозок в Украине вызывает необходимость распределения пропускной способности железнодорожной инфраструктуры между перевозчиками, что требует исследования вопросов использования пропускной способности отдельными поездами и оценки влияния отдельных поездов на условия пропуска других поездов. 

2. Предложенная модель железнодорожного направления позволяет имитировать пропуск потока поездов разных категорий через железнодорожные станции и участки и оценивать продолжительность движения в потоке поездов.
section_name: Выводы

section_content: Purpose. The main purpose of the article is to improve the simulation model of railway direction to evaluate the use of carrying capacity by separate trains. Methodology. The paper deals with the evaluation of the carrying capacity of railways used at the railways of Ukraine, the European Union, and the USA. It is noted that the reform of the railway transportation market will cause an increase in the quality requirements for the evaluation of the carrying capacity used by trains of various carriers. As the main method for evaluating the carrying capacity in the work, the methods of traction calculations, the organization of movement at railway transport and simulation modeling were
section_name: SIMUALTION MODEL FOR EVALUATING THE CARRYING CAPACITY OF RAILWAYS