Scientific ways for solving problems of organizing and planning cargo transportation to the areas of the far north and Arctic zones of Russia

Full Text

Для формирования эффективного транспортно-технологического обеспечения доставки грузов первой необходимости в регионы Арктики и северные регионы России автомобильным транспортом необходимо обеспечить его взаимодействие с другими видами транспорта. Анализ транспортно-технологической системы и объемов доставки грузов каждым видом транспорта показал, что автомобильный транспорт выполняет в основном конечные транзакции в логистических цепях доставки грузов, взаимодействует со всеми остальными видами транспорта, играя, таким образом, связующую роль между ними.

Учитывая суровые условия эксплуатации и особое значение случайных факторов в функционировании транспорта, надежность и безопасность доставки грузов автомобильным транспортом является приоритетной задачей для выживания и работы людей в условиях Севера.

Прогнозирование пропускной способности элементов мультимодальной транспортной сети в условиях Арктики с учётом сезонности невозможно без применения геоинформатики для визуализации пространственной цифровой модели транспортно-логистического центра с помощью электронной карты местности [1; 2].

Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации на период до 2035 года определила ряд особенностей освоения Арктической зоны, которые, в частности, определяются следующими факторами:

а) экстремальные природно-климатические условия;

б) крайне низкий уровень развития транспортной и социальной инфраструктуры;

в) климатические изменения, способствующие возникновению рисков для хозяйственной деятельности и окружающей среды;

г) неравномерность промышленно-хозяйственного освоения отдельных территорий Арктической зоны;

д) ориентированность экономики на добычу природных ресурсов, их вывоз в промышленно развитые субъекты Российской Федерации и экспорт;

е) высокая ресурсоемкость хозяйственной деятельности и жизнеобеспечения населения, их зависимость от поставок топлива, продовольствия и иных жизненно необходимых товаров из различных субъектов Российской Федерации.

Указанные особенности приводят к принципиальному отличию транспортных процессов доставки топлива, продовольствия и иных жизненно необходимых товаров (грузов северного завоза) до конечного потребителя в Арктической зоне РФ. Одним из главных отличий является отсутствие постоянных транспортных путей на большей части данной территории, что приводит к необходимости использования временных транспортных путей для доставки грузов северного завоза [5; 6]. Временные транспортные пути могут использоваться только в течение небольшого периода времени года. Период летней навигации, когда можно использовать речной транспорт, длится с июня по сентябрь. Перевозки грузов автомобильным транспортом ограничены большую часть года из-за неудовлетворительного состояния временных транспортных путей. В летний период эксплуатации перевозки грузов автомобильным транспортом в большей части территории Арктической зоны РФ невозможны из-за неудовлетворительного состояния дорог. В период зимней эксплуатации перевозки осуществляются по зимникам. Длительность периода перевозок напрямую зависит от длительности периода работы зимников в том или ином регионе [3]. При этом в межсезонье возникают достаточно длительные (три-четыре месяца) периоды транспортной недоступности в отдельные районы. Это при организации перевозок приводит к необходимости прогнозирования состояния временных транспортных путей (водного и автомобильного транспорта) и на основе построенных прогнозов оценивания периодов доступности временных транспортных путей и объемов перевозимых грузов по ним с учетом возможностей местных перевозчиков автомобильного и водного транспорта. Такой подход объективно необходим для обеспечения эффективной логистики доставки грузов северного завоза на последнем этапе, т.е. от базовых стационарных пунктов до конечного потребителя, имеющего транспортную связь с центром только по временным транспортным путям.

Основная часть

Основным направлением повышения эффективности процессов северного завоза грузов является планирование доставки грузов в отдаленные регионы Арктической зоны Российской Федерации (АЗРФ) на основе прогнозирования провозных способностей и сроков эксплуатации временных транспортных путей в летний и зимний периоды эксплуатации [8]. Указанное направление значительно отличается от традиционных методов, поскольку основано на использовании специализированного математического и аппаратно-программного обеспечения, что, в свою очередь, требует подготовки специалистов для практической реализации данного подхода. Необходимо также проведение мероприятий по созданию специальных транспортно-логистических центров (ТЛЦ), организуемых в составе крупных транспортных узлов мультимодальных транспортных систем доставки различных грузов северного завоза конечным потребителям. Цель внедрения ТЛЦ – повышение надежности транспортно-логистических процессов и уменьшение рисков невыполнения плана доставки грузов северного завоза по временным транспортным путям конечному потребителю, находящемуся в отдаленных от ближайшего центра районах, за счет гармонизации мультимодального процесса перевозок на последних этапах доставки грузов конечному потребителю.

Каждый локальный транспортно-логистический центр (ТЛЦ) выполняет комплекс различных функций, необходимых для надежной и эффективной доставки грузов северного завоза конечным потребителям. Локальный ТЛЦ получает от заказчика государственный заказ на перевозку грузов северного завоза и обеспечивает формирование, согласование и реализацию планов выполнения заказа, полученного от заказчика, в том числе государственного заказа по сезонам календарного года [4].

Заведующим кафедрой «Транспортная телематика» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ), профессором Власовым Владимиром Михайловичем создан инновационно-исследовательский проект «Развитие мультимодальной мобильности в условиях Арктической зоны России» под руководством профессора Филипповой Надежды Анатольевны. Тематика данных исследований тесно увязана с разработкой «Цифрового двойника северного завоза», выполняемой ФАНУ «Востокгосплан» Министерства РФ по развитию Дальнего Востока и Арктики (Минвостокразвития), а также с работами, выполняемыми специалистами Росгидрометцентра.

Рассматриваются три основных направления совершенствования мультимодальной транспортной системы на основе внедрения ТЛЦ, которые отличаются спецификой доставляемых товаров и грузов и основываются на реализации современных логистических технологий в условиях Арктики:

1. Внедрение мультимодальных транспортных систем доставки различных грузов населению, проживающему в удаленных от центра населенных пунктах АЗРФ, не имеющих круглогодичной транспортной доступности.
2. Внедрение транспортно-технологических систем доставки топлива с территории морских портов Северного морского пути до конечных потребителей (предприятий ЖКХ и тепловых пунктов), находящихся в удаленных от центра населенных пунктах АЗРФ, не имеющих круглогодичной транспортной доступности.
3. Внедрение системы транспортного обеспечения по доставке необходимого оборудования и грузов, а также специалистов, работающих вахтовым методом, на производственные площадки по добыче полезных ископаемых в АЗРФ, расположившихся в удалении от центральных производственных мощностей.

Основным операционным звеном в составе каждого ТЛЦ должна являться Центральная диспетчерская служба (ЦДС) [9; 10]. Основные функции ЦДС:

• прогнозирование состояния и пропускной способности временных транспортных путей (водного и автомобильного транспорта);
• оценка провозных возможностей местных перевозчиков автомобильного и водного транспорта в зависимости от сезона календарного года;
• получение заказа на перевозку грузов северного завоза и формирование исполняемых сезонных календарных планов развоза грузов по конечным потребителям с учетом пропускной способности временных транспортных путей и провозных возможностей местных перевозчиков;
• оперативное суточное планирование перевозок грузов конечным потребителям;
• оперативный контроль перевозок грузов автомобильным и водным транспортом с использованием телематических средств и систем;
• формирование отчетных данных об исполнении плана перевозок для легитимных пользователей различного уровня.

Практическое внедрение логистических технологий должно быть основано на создании цифрового двойника объекта внедрения. В основе создания цифрового двойника объекта внедрения лежит разработка пространственных цифровых моделей временных транспортных путей и цифровых моделей прокладываемых по ним сезонных маршрутов доставки грузов автомобильным и водным транспортом. Эти модели используются для контроля перевозок грузов автомобильным и водным транспортом.

Необходимой составляющей цифрового двойника объекта внедрения является база данных нормативно-справочной и технологической информации, без которой функционирование системы невозможно, поэтому подготовка такой информации должна осуществляться на первом этапе внедрения каждой системы.

Отдельным комплексом работ при подготовке цифрового двойника является получение необходимых статистических данных о природных явлениях в Арктическом регионе внедрения системы, которые необходимы для прогнозирования состояния временных транспортных путей.

Состав работ по подготовке нормативно-справочной и технологической информации должен включать в себя:

• определение маршрутов развоза грузов северного завоза по временным транспортным путям в летний и зимний периоды эксплуатации и построение пространственных моделей маршрутов с целью контроля перевозок грузов с использованием технологий спутниковой навигации и мобильной связи;
• подготовку и кодирование необходимой нормативно-справочной информации:
• справочники кодов и наименований удаленных (проблемных) населенных пунктов доставки грузов конечным потребителям;
• справочники кодов моделей транспортных средств;
• реестр перевозчиков и реестр транспортных средств (по каждому транспортному предприятию, перевозчику, участвующему в проекте);
• справочник закрепления устанавливаемого бортового оборудования за транспортными средствами.

В дальнейшем, создаваемые локальные ТЛЦ могут объединяться в единую региональную систему, отвечающую за доставку грузов северного завоза в регионе [7]. 

Мультимодальная транспортно-технологическая система доставки грузов

Эффективность выполнения плана доставки груза надо рассматривать в рамках мультимодальной транспортно-технологической системы не на ограниченный срок, а на весь год, обеспечивая транспортную мобильность в условиях Арктики. Планирование объемов доставки грузов первой необходимости, завозимых в летний и зимний периоды, предусматривает оценку максимальной пропускной способности существующих элементов мультимодальной транспортной сети. На основе современных научных подходов разработана макромодель фрагмента транспортной сети Арктической зоны России, включающая участки временных транспортных путей. Методика оценки пропускной способности региональной транспортной сети разработана с использованием теоремы Форда-Фалкерсона, которая использует понятие остаточной пропускной способности дуги. Пропускная способность каждого участка транспортной сети должна быть оценена:

а) с учетом периода продолжительности действия каждого участка;

б) с учетом несущей способности, зависящей от допустимой нагрузки на ось транспортных средств, проезжающих по участку.

Временные участки транспортной сети, состояние которых необходимо прогнозировать, для зимнего сезона эксплуатации включают в себя:

• зимники, прокладываемые по руслам замерзших рек;
• зимники, прокладываемые по территории вечной мерзлоты.

Для летнего сезона необходимо прогнозировать периоды навигации на участках северных рек, которые используются как временные транспортные пути в транспортной сети в летний период навигации.

Разработана методика оптимизации транспортно-технологической системы на примере Республики Саха (Якутия), которая предусматривает 2 варианта – летний и зимний вариант доставки. На первом этапе формируется оптимальная транспортно-технологическая схема, привязанная ко временам года. Для наглядного представления и анализа транспортных связей использованы методы теории графов.

Поскольку твердые и жидкие виды топлива (это основные грузы по объему в номенклатуре), а также продукты питания могут перевозиться различными видами транспорта, модель транспортно-технологической системы в виде графа инвариантна по отношению к видам грузов представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Цифровой граф транспортно-технологической системы для зимнего и летнего периода
Источник: разработано автором

Анализ внутренних перевозок позволяет выделить до n возможных маршрутов доставки грузов в основном автомобильным и речным транспортом. На устойчивость реализации планов транспортно-технологического процесса доставки грузов в условиях Арктики наибольшее влияние оказывают проанализированные нами внешние и внутренние факторы: метеорологические условия, доступность разных видов транспорта, удаленность от экономически развитых районов, время доставки, социальные условия (безопасность для жизни и здоровья граждан).

Эффективность выполнения плана доставки груза надо рассматривать в рамках мультимодальной транспортно-технологической системы не на ограниченный срок, а как минимум на весь год. Планирование объемов доставки грузов первой необходимости, завозимых в летний и зимний периоды, предусматривает оценку максимальной пропускной способности существующих элементов транспортной сети.

Теоремой Форда-Фолкерсона (о которой было сказано выше) определяется методика оценки наибольшей пропускной способности транспортной сети.

Для оценки рисков доставки грузов в условиях Арктики был выполнен факторный анализ. Определено, что на надежность функционирования транспортно-технологической системы в условиях Арктики влияют ранее не изученные внешние и внутренних факторы, учёт которых позволяет существенно повысить эффективность транспортного процесса.

В результате проведенных исследований было установлено, что при организации функционирования мультимодальной транспортной системы перевозки грузов метеорологические условия являются ключевым фактором, в результате чего предложено учитывать знания о природно-климатических особенностях севера России для повышения эффективности планирования перевозок.

В результате установлены основные причины задержек доставки грузов, связанные с критериями качества транспортного обслуживания.

Рассмотрены методы прогнозирования зимников, прокладываемых по руслам замерзших рек, методы прогнозирования периодов навигации на участках северных рек, а также подходы к прогнозированию состояния временных участков дорожной сети, проходящих в зоне вечной мерзлоты [11].

Важность данной тематики объясняется тем, что в последнее десятилетие отмечается ускорение процессов деформации постоянных и временных автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты. Это свидетельствует об изменении состояния многолетнемёрзлых и сезонномерзлых грунтов, что требует анализа протекающих процессов на базе мониторинга их состояния в сочетании с расчетными методами.

Обсуждается необходимость организации мониторинга многолетнемёрзлых грунтов в пределах прохождения трасс автодорог. Необходимость организации мониторинга обосновывается опытом строительства и эксплуатации автомобильных дорог и искусственных сооружений на них в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов, который показывает, что развитие инженерно-геокриологических процессов в полосе отвода автодороги, а также в непосредственной близости от неё, может явиться причиной деформаций земляного полотна и недопустимого транспортно-эксплуатационного состояния автодороги. Основными деформациями земляного полотна являются: неконтролируемые просадки и неравномерные осадки оттаивания, расползание насыпи земляного полотна, оползание обочин и откосов, разрушение откосов под влиянием термоэрозии.

Для недопущения указанных явлений или минимизации их влияния должны выполняться защитные и/или компенсационные мероприятия, обоснованные результатами специальных исследований. Для обоснования мероприятий необходима научная оценка состояния автомобильной дороги и дорожных сооружений, включая специальные мониторинговые стационарные посты и использование методов дистанционного наблюдения.

Прогнозирование – важнейший элемент планирования перевозок грузов северного завоза в Северные регионы России

Анализ схемы доставки грузов северного завоза конечному потребителю в Якутии показывает, что значительную роль в доставке грузов северного завоза играет речной транспорт, работающий в летнюю навигацию, и автомобильный транспорт, обеспечивающий перевозку грузов не только по постоянным дорогам, но и временным дорогам, – автозимникам. Поскольку значительная часть транспортных путей – это временные транспортные пути, отсюда следует, что прогнозирование природных явлений, влияющих на сроки функционирования этих путей, является важнейшим элементом процесса планирования перевозок грузов северного завоза в данном регионе. Проведённый анализ на примере климатических особенностей населённых пунктов в различных частях Республики Саха (Якутия) показал, что они имеют значимое отличие для прогнозирования сроков ледовых явлений и периодов работы зимников. Такое различие объясняется, во-первых, огромной протяжённостью территории республики, как с Севера на Юг, так и с Запада на Восток, во-вторых, нахождением части территории Якутии в Арктической зоне. Это означает, что решение прогнозных задач необходимо вести для отдельных районов республики, определяемых климатическими особенностями, с целью достижения необходимой точности прогноза. Нами выделено шесть районов, для которых отдельно необходимо решать задачу прогнозирования природных явлений. При этом определено, что во всех районах осуществляются перевозки по автозимникам в зимний период, вследствие чего задача прогнозирования периодов работы автозимников для каждого района является весьма важной.

Использование математической модели природных явлений для определения периода работы автозимников

Прогнозирование периода работы автозимника для перевозок грузов северного завоза основано на использовании метода построения тренд-сезонных моделей временных рядов, построенных на статистических данных метеонаблюдений в исследуемом районе.

Специалистами по метеорологии показано, что годовой ход для описания среднесуточной температуры воздуха на территории России в XX веке хорошо подходит синусоидальная аппроксимация.

Рисунок 2. Сезонные колебания температуры воздуха
Источник: разработано автором

Этот подход использован для прогнозирования сроков начала и окончания эксплуатации автозимников (рисунок 2), который основан на использовании «тригонометрической модели» Хромова С. П., имеющей вид:

Y = a + b₁sinα + b₂cosα. (1)

Пусть даны среднемесячные температуры воздуха в заданном городе y₁ (температура января), y₂ (температура февраля) и т.д. Берутся значения дневных температур. Пусть ŷ_i – приближенное значение среднемесячной температуры i-го месяца, вычисляемое по формуле:

ŷ_i = a + b₁sinα_i + b₂cosα_i, (2)

где α_i – угол, равный i·30°, соответствующий середине i-го месяца, i = 1, 2, ..., 11, и α₁₂ = 0, тогда:

$\begin{array}{l}a=\overline{y}=\frac{1}{12}{\sum }_{j=1}^{12}{y}_j,\\ b_1=\frac{1}{6}{\sum }_{j=1}^{12}{y}_j\sin {\alpha }_j,\\ b_2=\frac{1}{6}{\sum }_{j=1}^{12}{y}_j\cos {\alpha }_j.\end{array}$ (3)

Проведённый анализ транспортной доступности различных районов Якутии показал, что они не имеют круглогодичного транспортного обслуживания. Это значительно затрудняет выполнение планов северного завоза. Более того, по естественным природно-климатическим характеристикам многие населённые пункты могут снабжаться продовольствием, топливом только в летний и зимний периоды эксплуатации по временным транспортным путям с перерывами, связанными с бездорожьем на суше и ледниковыми явлениями на реках. В связи с этим, планирование процессов доставки грузов северного завоза на основе использования математических моделей прогнозирования сроков действия временных транспортных путей, является актуальным.

Заключение

Принятие Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации на период до 2035 года обеспечило законодательную и методическую основу для совершенствования стратегии управления процессами северного завоза на основе создания и внедрения комплекса взаимосвязанных и взаимодействующих цифровых (на базе ЭВМ) информационных технологий.

Развитие комплекса информационных технологий на основе внедрения транспортно-логистических центров (ТЛЦ) создаст организационные и технологические предпосылки для организации процессов северного завоза грузов на основе прогнозирования провозных способностей и периодов эксплуатации временных транспортных путей в летний и зимний периоды в арктической зоне России.

ЦДС играет важную роль в эффективной работе каждого ТЛЦ. Ее технологические функции, основанные на современных методах математического моделирования, включают:

• прогнозирование состояния и пропускной способности временных транспортных маршрутов, включая водный и автомобильный транспорт;
• оценка провозных возможностей местных перевозчиков транспорта, обусловленная временем года.

Необходимой базой реализации задач для развития транспортной системы Арктики и вхождения в цифровую экономику является повышение эффективности системы планирования и прогнозирования в условиях нестабильной транспортной сети и резких изменений метеорологической обстановки. В этих условиях насущной необходимостью является развитие новых научных подходов к разработке методов планирования доставки грузов северного завоза, основанных на оценке пропускной способности региональной транспортной сети, которая существенно зависит от сезона эксплуатации и климатических изменений. Данные методы планирования должны использовать алгоритмы математического моделирования, формирующие прогнозы изменения состояния и функционирования отдельных временных участков региональных транспортных сетей. Указанные мероприятия позволят обеспечить предоставление государственным и коммерческим структурам достоверных прогнозных данных для планирования и последующего контроля выполнения графиков доставки грузов конечному потребителю в районы Севера России и Арктики.

About the authors

Nadezhda Anatolyevna Filippova

Author for correspondence.
Email: umen@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-8127-9810
Scopus Author ID: 57206737747
ResearcherId: ABD-7377-2020

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Transport Telematics, Head of the innovation and research project «Development of multimodal mobility in the Arctic zone of Russia»

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1. Digital graph of the transport and technological system for winter and summer periods

Download (258KB)

Indexing metadata

3. Figure 2. Seasonal fluctuations in air temperature

Download (51KB)

Indexing metadata