Оценка пропускной способности однопутного участка БАМа с использованием теории массового обслуживания

Введение. Целью исследования является оценка пропускной способности Северомуйского участка Байкало-Амурской магистрали (БАМ). Выбранный участок является типовым для БАМа и состоит в основном из однопутных перегонов. Одна из станций является участковой (на ней осуществляется смена вида локомотивной тяги), на участке проложены пути через горный перевал и тоннель, что влечет за собой возможность организации нескольких маршрутов движения поездов. На раздельных пунктах, как правило, выполняются однотипные операции, в частности пропуск с остановкой и без остановки, технический осмотр, смена бригад, а на перегонах — пропуск. При этом на их продолжительность влияют внешние воздействия, которые возникают случайным образом, в частности погода, поломки, человеческий фактор.

Материалы и методы. Использованы методы математического и компьютерного моделирования. Для построения математической модели движения поездов по участку применены положения теории массового обслуживания. В ней изучаются объекты, в которых регулярно выполняются однотипные операции, а их продолжительность не детерминирована. К таким объектам и относятся железнодорожные системы. Для анализа получаемых моделей использовано имитационное моделирование.

Результаты. Построена математическая модель движения поездов по Северомуйскому участку в виде сети массового обслуживания с двумя входящими потоками заявок. С ее помощью проведено несколько вычислительных экспериментов. На основе их результатов определены узкие места в инфраструктуре участка и оценена эффективность введения частично пакетного графика движения поездов на нем.

Обсуждение и заключение. Установлено, что на данный момент Северомуйский участок имеет запас пропускной способности, и поездопоток на нем может быть увеличен с текущих 23 до 27 пар поездов в сутки. Показано, что введение частично пакетного графика приводит к снижению задержек поездов на участке, но требует модернизации некоторых станций и не позволяет увеличить поездопоток выше обозначенного уровня. Таким образом, можно сделать вывод о том, что применение частично пакетного графика на данном участке нецелесообразно, и для существенного (в разы) повышения его пропускной и провозной способности необходимо создание двухпутного сообщения.

1. Бардаль А.Б. Транспортная система Дальневосточного федерального округа: современное состояние и перспективы Восточного полигона железных дорог // Регионалистика. 2021. Т. 8, №3. С. 21–31 [Bardal A.B. The Transport System of the Far Eastern Federal District: Current State and Prospects of the Eastern Range of Railways. Regionalistica. 2021;8(3):21–31. (In Russ.)]. https://doi.org/10.14530/reg.2021.3.21.

2. Тураева М.О. Грузовой транспорт России: некоторые итоги 2022 года // Вестник Института экономики Российской академии наук. 2023. №3. С. 45–63 [Turaeva M.O. Performance of Russian freight transport in 2022: some outcomes. Vestnik Instituta Ekonomiki Rossiyskoy Akademii Nauk. 2023;(3):45-63. (In Russ.)]. https://doi.org/10.52180/2073-6487_2023_3_45_63.

3. Pyrgidis C. N. Railway Transportation Systems. Design, Construction and Operation. Boca Raton: CRC Press; 2016. 511 p. https://doi.org/10.1201/b19472.

4. Брусянин Д.А., Казаков А.Л., Маслов А.М. Оптимизация региональной маршрутной сети междугородных и пригородных пассажирских перевозок с использованием логистических принципов // Транспорт Урала. 2012. №1(32). С. 106–109 [Brusyanin D.A., Kazakov A.L., Maslov A.M. Optimization of regional route network of intercity and commuter traffic with the use of logistic principles. Transport of the Ural. 2012;(1):106–109 (In Russ).]. EDN: https://www.elibrary.ru/owwuab.

5. Оптимизация условий организации движения соединенных поездов на постоянной основе на Транссибирской магистрали Восточного полигона сети железных дорог / М.И. Мехедов [и др.] // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2021. Т. 80, №1. С. 4–12 [Mekhedov M.I., Sotnikov E.A., Kholodnyak P.S., Kursin D.A., Kornienko N.B. Condition optimization for organizing the operation of connected trains on an ongoing basis on the Trans-Siberian Railway of the Eastern operational range of the railway network. Russian Railway Science Journal. 2021;80(1):4-12. (In Russ.)]. https://doi.org/10.21780/2223-9731-2021-80-1-4-12.

6. Milenkovic M., Bojovic N. Optimization Models for Rail Car Fleet Management. Elsevier Publ.; 2020. 282 р. https://doi.org/10.1016/C2017-0-03011-2.

7. Kerner B.S. Introduction to Modern Traffic Flow Theory and Control. Berlin: Springer Publ.; 2009. 265 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-02605-8.

8. Kozlov P., Osokin O., Timukhina E., Tushin N. Optimization of Fleet Size and Structure While Serving Given Freight Flows. In: Popovic Z., Manakov A., Breskich V. (eds.) VIII International Scientific Siberian Transport Forum. TransSiberia 2019. Vol. 2. Cham: Springer Publ.; 2020. p. 1064–1075. https://doi.org/10.1007/978-3-030-37919-3_104.

9. Об использовании моделей оптимального управления транспортными потоками / П.А. Козлов [и др.] // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. 2019. №1(41). С. 60–69 [Kozlov P.A., Kolokolʹnikov V.S., Tushin N.A., Osokin O.V. On using effective management models for transport flows. Herald of the Ural State University of Railway Transport. 2019;(1):60–69. (In Russ.)]. https://doi.org/10.20291/2079-0392-2019-1-60-69.

10. Козлов П.А., Вакуленко С.П., Евреенова Н.Ю. Методы исследования проектов развития объектов транспортной инфраструктуры // Академик Владимир Николаевич Образцов — основоположник транспортной науки: труды междунар. науч.-практ.конф., посвященной 125-летию университета, Москва, 22 октября 2021 г. М.: РУТ, 2021. С. 174–181 [Kozlov P.A., Vakulenko S. P., Evreenova N. Yu. Methods for researching projects for the development of transport infrastructure facilities. In: Academician Vladimir Nikolayevich Obraztsov, the founder of transport science: Proceedings of the International Scientific and Practical Conference Dedicated to the 125th Anniversary of the University, 22 October 2021, Moscow. Moscow: RUT; 2021. p. 174–181. (In Russ.)]. https://doi.org/10.47581/2022/Obrazcov.25.

11. Петров М.Б., Серков Л.А., Кожов К.Б. Имитационная модель обоснования приоритетов развития железнодорожных связей между Уралом и Западной Сибирью // Вестник УрГУПС. 2021. №4 (52). С. 50–58 [Petrov M.B., Serkov L.A., Kozhov K.B. Simulation model of substantiation of priorities for the development of railway links between the Urals and Western Siberia. Herald of the Ural State University of Railway Transport. 2021;(4):50-58. (In Russ.)]. https://doi.org/10.20291/2079-0392-2021-4-50-58.

12. Назаров А.А., Терпугов А.Ф. Теория массового обслуживания. Томск: Изд-во HTJI, 2010. 228 с. [Nazarov A.A., Terpugov A.F. Queuing Theory. Tomsk: Publishing House NTL; 2010. 228 p. (In Russ.)].

13. Dudin A., Klimenok V., Vishnevsky V. The Theory of Queuing Systems with Correlated Flows. Cham: Springer Publ.; 2019. 431 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-32072-0.

14. Marinov M., Viegas J. A simulation modelling methodology for evaluating flat-shunted yard operations. Simulation Modelling Practice and Theory. 2009;17(6):1106-1129. https://doi.org/10.1016/j.simpat.2009.04.001.

15. Dorda M., Teichmann D. Modelling of Freight Trains Classification Using Queueing System Subject to Breakdowns. Mathematical Problems in Engineering. 2013;2013:307652. https://doi.org/10.1155/2013/307652.

16. Карасев С.В., Калидова А.Д. Моделирование пропуска поездопотоков через однопутный лимитирующий элемент трассы при организации скоростного движения с использованием существующей инфраструктуры // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2018. Т. 77, №1. С. 34–43 [Karasev S.V., Kalidova A.D. Modeling of train flow handling through a limiting single-track section of the route at the organization of high-speed operation using the existing infrastructure. Russian Railway Science Journal. 2018;77(1):34-43. (In Russ.)]. https://doi.org/10.21780/2223-9731-2018-77-1-34-43.

17. Weik N., Nießen N. Quantifying the effects of running time variability on the capacity of rail corridors. Journal of Rail Transport Planning & Management. 2020;15:100203. https://doi.org/10.1016/j.jrtpm.2020.100203.

18. Wilson N., Fourie C. J., Delmistro R. Mathematical and simulation techniques for modelling urban train networks. South African Journal of Industrial Engineering. 2016;27(2):109-119. http://dx.doi.org/10.7166/xx-x-1364.

19. Huisman T., Boucherie R. J., Van Dijk N. M. A solvable queueing network model for railway networks and its validation and applications for the Netherlands. European Journal of Operational Research. 2002;142(1):30-51. https://doi.org/10.1016/S0377-2217(01)00269-7.

20. Бычков И.В., Казаков А.Л., Жарков М.Л. Интеллектуальная технология моделирования железнодорожных станций на основе теории массового обслуживания // Управление товарными потоками и перевозочным процессом на железнодорожном транспорте на основе клиентоориентированности и логистических принципов: коллективная монография членов и научных партнеров Объединенного ученого совета ОАО «РЖД» / под. ред. Б.М. Лапидуса, А.Т. Осьминина. СПб.: ЛЕМА, 2019. С. 185–193 [Bychkov I.V., Kazakov A.L., Zharkov M.L. Smart technology of railway station modelling based on the mass service theory. In: Lapidus B.M., Osminin A.T. Management of railway commodity flows and carriage processes based on customer orientation and logistic principles: collective monograph of members and research partners of the Joint Scientific Council of the Russian Railways. St. Petersburg: LEMA Publ.; 2019. p. 185–193 (In Russ.)].

21. Bychkov I., Kazakov A., Lempert A., Zharkov M. Modeling of Railway Stations Based on Queuing Networks. Applied Sciences. 2021;11(5):2425. https://doi.org/10.3390/app11052425.

22. Kazakov A., Lempert A., Zharkov M. An approach to railway network sections modeling based on queuing networks. Journal of Rail Transport Planning & Management. 2023;27:100404. https://doi.org/10.1016/j.jrtpm.2023.100404.

23. Kazakov A., Lempert A., Zharkov M. Modeling a Section of a Single-Track Railway Network Based on Queuing Networks. In: Dudin A., Nazarov A., Moiseev A. (eds.) Information Technologies and Mathematical Modelling. Queueing Theory and Applications: Proceedings of the 21st International Conference, ITMM 2022, 25–29 October 2022, Karshi, Uzbekistan. Cham: Springer Publ.; 2023. p. 40–54. https://doi.org/10.1007/978-3-031-32990-6_4.

24. Федоров Ю. Н. Роль БАМа в современной транспортной сети России // Железнодорожный транспорт. 2019. №7. С. 5–10 [Fyodorov Yu. N. The Role of Baikal-Amur Mainline in Russia’s modern transport network. Zheleznodorozhnyy transport. 2019;(7):5-10. (In Russ.)]. EDN: https://elibrary.ru/ejrhre.