Technological and economic determination of high-speed railway infrastructure operation processes

Full Text

Введение

Высокие скорости железнодорожной перевозки и само развитие такого сообщения обеспечивают множество важных и полезных эффектов для экономики России в современный период развития. В частности, высокие скорости перевозки реализуют связанность промышленных и жилых территорий, решают проблему занятости населения и обеспеченности предприятий трудовыми ресурсами, повышают рост производительности за счет интеграции городов в единые агломерации, а также формируют множество иных эффектов. Однако, переход к эксплуатации инфраструктуры высокоскоростных магистралей (ВСМ) требует трансформации классической системы содержания инфраструктуры в сторону новых технологий, обеспечивающих высокоскоростное движение, цифровой мониторинг и жесткой регламентации работ «в окнах».

Исседование моделей эксплуатации инфраструктуры ВСМ

Высокоскоростная железнодорожная инфраструктура, как базовый элемент высокоскоростных перевозок является объектом системного изучения. Появление новых, ранее не используемых (вновь создаваемых) объектов, обеспечивающих высокоскоростное транспортное сообщение, их содержание, обслуживание, управление создает принципиально новую область методологического обеспечения эксплуатации ВСМ и обуславливает цель настоящего исследования – создание соответствующего методологического инструментария моделирования эксплуатации путевого хозяйства – как части динамического процесса высокоскоростной перевозки. Следует отметить, что на сегодняшний день не существует комплексной утвержденной как технологической модели ВСМ, так и модели эксплуатации высокоскоростной инфраструктуры. Предлагаемая в статье методология построена на теоретических положениях категории стоимости времени, на методах оценки эксплуатационных затрат и постатейных расходов, методике последовательного формирования процесса обслуживания ВСМ.

Понятие инфраструктуры ВСМ введено законодателем в Устав железнодорожного транспорта в 2024 году [1]. Ряд современных исследований напрямую обращается к данной теме. В частности, П.А. Козлов раскрывает эксплуатационную модель как динамическую систему описания состояний и процессов взаимодействия объектов инфраструктуры (пути, СЦБ, энергоснабжения) с подвижным составом, направленную на выполнение заданного графика движения при соблюдении норм безопасности и минимизации издержек [2]. В работе [3], эксплуатация рассматривается на выделенном сегменте инфраструктуры ВСМ, что не позволяет комплексно оценить ее стоимость.

Исходя из научного понимания эксплуатационной модели железнодорожной инфраструктуры ВСМ для ее построения необходимо исследование ключевых объектов и технологических процессов их содержания.

Инфраструктура ВСМ в своем составе имеет объекты, являющиеся частью соответствующих подсистем [4, 5], а именно:

• железнодорожный путь;
• электроснабжение;
• автоматика и телемеханика;
• связь;
• защитные сооружения;
• гражданские сооружения;
• объекты тяги.

Наиболее значимыми составляющими технологии эксплуатации в транспортной системе инфраструктуры ВСМ являются следующие процессы.

Мониторинг и диагностика железнодорожной инфраструктуры ВСМ в реальном времени. Использование специальных поездов-лабораторий и датчиков на путях, которые ежесекундно проверяют геометрию рельсов и состояние контактной сети. Особенно важен временной аспект, в связи с тем, что малейшее отклонение в 1–2 мм на таких скоростях критично.

Строгое выполнение процедур «оконной» дисциплины. Выделение специальных временных интервалов (как правило, в ночное время) для выполнения профилактических работ. Отметим, что с учетом высоких скоростей поездов, курсирующих по ВСМ, невозможно совмещать ремонт и движение поездов на ВСМ.

Безопасность и изоляция. Обеспечение содержания объектов инфраструктуры ВСМ с целью полного исключения несанкционированного пересечения ее людьми, транспортными средствами и животными.

Цифровое управление средствами автоматики и телемеханики, а также иными устройствами. Например, взамен обычных светофоров используется автоматическая сигнализация, в том числе локомотивная, где данные о разрешенной скорости передаются прямо на монитор машиниста через радиоканалы или рельсовые цепи.

Повышенные требования к материалам. Применение специальных марок стали, безбалластного мостового полотна и усиленных опор контактной сети, способных выдерживать мощные аэродинамические удары.

В результате исследования вопросов оптимальных параметров перевозки по ВСМ и функционирования ее инфраструктуры сформированы различные эксплуатационные модели.

П.А. Козловым, разработана модель функционирования сложных динамических систем, позволяющая оптимизировать пропускную способность полигонов железных дорог при жесткой специализации линий (разделение грузового и пассажирского движения), что является необходимым условием для интеграции высокоскоростных магистралей в железнодорожную инфраструктуру [2]. Помимо формирования эксплуатационных моделей, исследовались и аспекты функционирования отдельных объектов железнодорожной инфраструктуры ВСМ. К примеру, В.А. Копыловым решена задача оценки соответствия нормативным требованиям материалов строительства ВСМ в части продольного профиля трасы железнодорожной магистрали [6]. В.П. Бельтюковым описана специфика текущего содержания пути ВСМ и сформирована межремонтная схема для безбалластной конструкции пути [7].

Исходя из технологических требований эксплуатации предложено выделить следующие ключевые технологические процессы эксплуатации инфраструктуры ВСМ с отражением отличительных признаков, составляющих специфику ее содержания, что представлено в Табл. 1.

Таблица 1. Ключевые технологические процессы эксплуатации инфраструктуры ВСМ

Table 1. Key technological processes of HSR infrastructure operation

Модель эксплуатации путевого хозяйства инфраструктуры ВСМ

Путь, как основной элемент высокоскоростной инфраструктуры построен на безбалластной конструкции. В структуре затрат на эксплуатацию ВСМ стоимость эксплуатации без пути составляет не менее 40%, что определяет высокую актуальность эксплуатационной модели именно в этой части ВСМ.

Определение экономической эффективности применения безбалластного верхнего строения пути (БВСП)

В рамках настоящего исследования на примере одного из наиболее крупных по материальной базе и трудозатратам инфраструктурных подразделений ОАО «РЖД» – путевого хозяйства, выполнено исследование применения безбалластного верхнего строения пути (БВСП) с целью определения его экономической эффективности.

Исследование объектов и технологических процессов эксплуатации инфраструктуры пути ВСМ осуществлялось путем изучения технико-нормировочных карт по аналогичным видам работ на объектах инфраструктуры и нормативно-технических документов ОАО «РЖД», регламентирующих вопросы технологии эксплуатации железнодорожной инфраструктуры.

В производственном процессе путевого хозяйства принято рассматривать путевой комплекс и комплекс искусственных сооружений (ИССО) отдельно. В настоящем исследовании объекты ИССО не рассматривались.

Итак, процесс эксплуатации инфраструктуры ВСМ представляет собой интегрированную систему предиктивного технического обслуживания и планово-предупредительных ремонтов, базирующуюся на раздельном учете затрат по конструктивным особенностям пути: балластная и безбалластная конструкции.

Технологическими доминантами эксплуатации объектов путевого комплекса ВСМ является жесткое разделение временных зон для различных видов работ:

1. Диагностический мониторинг: выполняется мобильными высокоскоростными средствами (ВДК «ИНФОСТРАНС-ВЕЛАРО Rus», «ИНТЕГРАЛ») в дневное время на рабочих скоростях.
2. Неотложные работы: ликвидация неисправностей, угрожающих безопасности, силами дежурных бригад в дневные «окна» с возможным ограничением скорости.
3. Плановые операции: основной объем текущего содержания и промежуточных ремонтов переносится в ночной режим (технологические перерывы).

Технико-экономические параметры содержания конструкций ВСМ напрямую коррелируют с типом верхнего строения пути.

Следует отметить, что наиболее уязвимым местом конструкции пути является балласт, особенно остро это относится для участков железнодорожной инфраструктуры с высокоскоростным [8].

При этом, внедрение безбалластной конструкции (БВСП) позволяет радикально снизить операционные издержки [8]:

• Трудозатраты: коэффициент снижения может составлять до 0,47 по сравнению с балластной конструкцией.
• Материалоемкость: снижение затрат на материалы на 30–40% за счет отсутствия работ по очистке и досыпке щебня, а также применения упругих скреплений определенного типа.
• Амортизационный цикл: срок службы БВСП составляет 50–60 лет, что в 1,5–2 раза превышает показатели балластного пути (30 лет).

В Табл. 2 на основании данных ОАО «РЖД» выполнен анализ наиболее трудозатратных операций в технологи эксплуатации ВСМ.

Таблица 2. Анализ наиболее трудозатратных операций в технологии эксплуатации ВСМ

Table 2. Analysis of the most labor-intensive operations in HSR operation

Анализ структуры трудозатрат показывает, что ключевой резерв повышения эффективности эксплуатации инфраструктуры ВСМ лежит в автоматизации контроля и переходе именно к стабильным безбалластным основаниям, что суммарно снижает совокупные трудозатраты более чем в два раза.

Несмотря на высокие капитальные вложения в строительство, БВСП требует в 3,5 раза меньше затрат на ремонты в годовом исчислении по сравнению с балластным путем. Основным дорогостоящим процессом для БВСП становится сплошная смена рельсов с подъемочным ремонтом через 30 лет эксплуатации, вызванная интенсивным износом металла при шлифовании [9].

Идентификация структуры амортизационных отчислений для парка путевых машин

Применение парка специализированных путевых машин позволяет выполнить значительный объем работы в сокращенные сроки, что особенно важно для высокоскоростного сообщения [10].

Для экономического обоснования эксплуатации инфраструктуры ВСМ необходимо провести расчет и анализ амортизационных отчислений на парк путевых машин и механизмов.

Например, согласно технологии эксплуатации БВСП и балластного пути для обеспечения выполнения технологии эксплуатации требуется парк путевых машин, который делится на две ключевые группы:

• машины для тяжелых видов ремонта;
• средства механизации текущего содержания.

При этом, технико-технологическими параметрами парка путевых машин являются:

• Рельсошлифовальные поезда (РШП).

Критически важный элемент для ВСМ. Периодичность шлифовки — 1 раз в 3 года (после пропуска 40–60 млн т брутто). Требуется 1 ед. на участок [11].

• Рельсосварочные машины (ПРСМ).

Необходимы для восстановления целостности плетей – расчетный объем – 54 стыка на 100 км.

• Специальный подвижный состав (СПС).

Грузовые автомотрисы для доставки бригад в ночные «окна» и выполнения погрузочно-выгрузочных работ [12].

В Табл. 3 представлен примерный (на основании ретроспективных данных ОАО «РЖД») расчет амортизационных отчислений на путевую технику, в котором указаны такие параметры как: количество единиц путевой техники и ее средняя и общая (парка) стоимость, срок амортизации в годах.

Таблица 3. Расчет амортизационных отчислений на путевую технику

Table 3. Depreciation charge calculation for track equipment

Формирование специального парка из 48 единиц техники, обусловлено переходом к инновационной модели текущего содержания железнодорожной инфраструктуры ВСМ [13]. Значительные амортизационные издержки нивелируются резким сокращением ручного труда и мобильностью ремонтных подразделений, что представляет возможность реализовать полный цикл необходимых работ в условиях жесткого регулирования ночных технологических перерывов [14].

При этом, высокая доля амортизации путевых машин в структуре расходов ВСМ объясняется необходимостью содержания избыточного (по сравнению с обычными путями) парка техники для обеспечения оперативного выхода в короткие ночные технологические «окна» и специфическими требованиями к качеству шлифовки рельсов [15].

Формирование эксплуатационной модели железнодорожной инфраструктуры ВСМ

На основании рассмотренных выше экономических и технологических параметров эксплуатации путевого хозяйства инфраструктуры ВСМ на Рис. автором сформирована и визуализирована процессная модель эксплуатации путевого хозяйства железнодорожной инфраструктуры ВСМ.

Рис. Процессная модель эксплуатации ВСМ

Fig. Process model of HSR operation

Данная модель в отличии от существующих подходов, впервые интегрирует параметры материально-технического обеспечения и структуру затрат путевого хозяйства инфраструктуры ВСМ в единую динамическую систему, разграниченную по временным интервалам технологических «окон» (в дневной и ночной областях).

Архитектура модели использует оригинальное:

• распределение логических связей, ядром модели является не абстрактное подразделение путевого хозяйства (ПЧ, ПЧУ), а сам участок ВСМ как технологический объект инфраструктуры;
• взаимодействие систем – производственно-ресурсной и планирования, которые увязаны с временным фактором посредством строго разделения на дневную (мониторинга и оперативного обслуживания) и ночную зоны (техническое обслуживание и ремонты).

На Рис. приведены следующие обозначения: ДМ – диагностика и мониторинг, АД – анализа данных, выполняемый в соответствующих АСУ, ТС – текущее содержание с учетом коэффициента трудозатрат, КП – капитальный ремонт с показателем срока амортизации, ПМ – путевые машины с указанием требуемого количества и показателем амортизации.

Данная модель полностью описывает механизм трансформации технических требований ВСМ в экономические показатели, что является фундаментальной частью настоящего исследования.

Модель цифровизирована в синтаксисе JavaScript (JS), с применением инструментов Scalable Vector Graphics (SVG) и Tooltips.

Заключение

Выполненным исследованием железнодорожной инфраструктуры ВСМ определены ключевые объекты, обеспечивающие ее функционирование, и основные технологические процессы их эксплуатации.

Анализ технологических процессов эксплуатации позволил выделить отличительные признаки, составляющих специфику содержания инфраструктуры ВСМ.

Определена технологическая доминанта эксплуатации объектов путевого комплекса ВСМ, которой является жесткое разделение временных зон для различных видов работ. На основании данных ОАО «РЖД» выполнен анализ наиболее трудозатратных операций в технологи эксплуатации ВСМ.

С целью экономического обоснования эксплуатации инфраструктуры ВСМ произведен расчет и анализ амортизационных отчислений на парк путевых машин и механизмов. Ранжированы такие параметры как: количество единиц путевой техники и ее средняя и общая (парка) стоимость, срок амортизации в годах.

В результате исследования сформирована процессная модель эксплуатации путевого хозяйства железнодорожной инфраструктуры ВСМ, оцифрованная в синтаксисе JS и позволяющая наблюдать механизм трансформации технических требований к инфраструктуре ВСМ посредством изучения ее технических, технологических и экономических параметров.

Автор заявляет, что настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

The author declares that this article does not contain any studies involving human participants.

About the authors

Vitaly V. Umanets

Author for correspondence.
Email: compresor78@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9711-9582
SPIN-code: 7043-8020

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. Process model of HSR operation

Download (118KB)

Indexing metadata